Según un estudio publicado en Nature Electronics, científicos de la Universidad de Boston, la Universidad de California en Berkeley y la Northwestern University han reportado el primer sistema electrónico-fotónico-cuántico integrado en chip del mundo, un hito en tecnologías cuánticas escalables.

El sistema, fabricado con un proceso estándar de 45 nanómetros, combina fuentes cuánticas de luz con dispositivos electrónicos estables para generar un flujo fiable de pares de fotones correlacionados, recurso clave para las tecnologías cuánticas emergentes. Este avance allana el camino hacia chips de “fábricas de luz cuántica” producibles en masa y sistemas cuánticos a gran escala formados por múltiples chips colaborando.

“La computación, comunicación y sensado cuánticos aún están a décadas de distancia de convertirse en realidad”, afirma el profesor asociado de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad de Boston y autor senior del estudio, Miloš Popović. “Esto es solo un pequeño paso en ese camino, pero importante, porque demuestra que podemos construir sistemas cuánticos repetibles y controlables en fundiciones semiconductoras comerciales”.

“El tipo de colaboración interdisciplinaria requerida para este trabajo es exactamente lo necesario para trasladar sistemas cuánticos del laboratorio a plataformas escalables”, dice el profesor de Ingeniería Eléctrica y Computación de Northwestern University y pionero en óptica cuántica, Prem Kumar. “Sin el esfuerzo conjunto de electrónica, fotónica y medición cuántica, no hubiéramos podido lograrlo”.

Así como los chips electrónicos funcionan con corriente eléctrica y las cadenas de comunicación óptica con láseres, las futuras tecnologías cuánticas necesitarán un suministro constante de unidades de luz cuántica. Para ello, los investigadores crearon en un chip de silicio un array de “fábricas de luz cuántica”, cada una de menos de 1 mm × 1 mm.

Generar estados cuánticos de luz en chip requiere dispositivos fotónicos diseñados con precisión, específicamente microanillos resonadores (que, como recientemente señaló el CEO de Nvidia, Jensen Huang, son esenciales para que Nvidia escale su hardware de computación de IA mediante interconexiones ópticas).

Para producir flujo cuántico de luz en forma de pares de fotones correlacionados, los resonadores deben estar sintonizados con el láser incidente que suministra energía (y actúa como combustible del proceso). Sin embargo, estos dispositivos son extremadamente sensibles a variaciones de temperatura y fabricación, lo que puede desincronizarlos y perturbar la generación estable de luz cuántica.

Para superar este desafío, el equipo construyó un sistema integrado que estabiliza activamente las fuentes cuánticas de luz en el chip —específicamente, los microanillos de silicio que generan pares de fotones—. Cada chip contiene 12 fuentes cuánticas operando en paralelo, y cada resonador debe permanecer sintonizado con su láser incidente incluso ante deriva térmica e interferencias de dispositivos cercanos (incluidos los otros 11 generadores de pares de fotones en el chip).

“Lo que más me emociona es que hemos integrado el control directamente en el chip para estabilizar en tiempo real los procesos cuánticos”, dice el doctorando de Northwestern University que lideró las mediciones cuánticas, Anirudh Ramesh. “Esto es un paso clave hacia sistemas cuánticos escalables”.

La extrema sensibilidad de los microanillos resonadores (base de las fuentes cuánticas de luz) es bien conocida, tanto como ventaja como desventaja. Gracias a ella pueden generar flujo cuántico de luz de forma eficiente en un área mínima de chip. Sin embargo, pequeños cambios de temperatura pueden descarrilar el proceso de generación de pares de fotones.

El equipo liderado por la Universidad de Boston resolvió esto integrando fotodiodos dentro de los resonadores, permitiendo monitorear la alineación del láser incidente sin interrumpir la generación de luz cuántica. Calentadores integrados y lógica de control ajustan continuamente la frecuencia de resonancia según la deriva.

“Comparado con nuestro trabajo previo, un desafío clave fue empujar el diseño fotónico para cumplir los exigentes requisitos de óptica cuántica mientras respetábamos las estrictas restricciones de una plataforma CMOS comercial”, dice el doctorando de la Universidad de Boston que lideró el diseño de dispositivos fotónicos, Imbert Wang. “Esto permitió diseñar conjuntamente electrónica y óptica cuántica como un sistema unificado”.

Gracias al uso de retroalimentación integrada para estabilizar cada fuente, el rendimiento del chip permanece predecible incluso ante variaciones de temperatura y fabricación, requisito fundamental para escalar sistemas cuánticos. El chip se fabricó en una plataforma CMOS comercial de 45 nanómetros originalmente desarrollada en estrecha colaboración entre la Universidad de Boston, UC Berkeley, GlobalFoundries y la startup de Silicon Valley Ayar Labs. Ayar Labs, nacida de la investigación de ambas universidades, es hoy líder en chips de interconexión óptica.

Con la nueva colaboración con Northwestern University, el mismo proceso de fabricación ahora permite no solo interconexiones ópticas avanzadas para IA y supercomputación, sino también, como demuestra el estudio, sistemas fotónicos cuánticos complejos en plataformas de silicio escalables.

“Nuestro objetivo era demostrar que sistemas fotónicos cuánticos complejos pueden construirse y estabilizarse completamente dentro de un chip CMOS”, dice el doctorando de UC Berkeley responsable del diseño, empaquetado e integración del chip, Daniel Kramnik. “Esto requiere una coordinación estrecha entre campos que normalmente no se comunican directamente”.

A medida que los sistemas fotónicos cuánticos crecen en escala y complejidad, chips como este podrían convertirse en la base de tecnologías que van desde redes de comunicación seguras hasta sensado avanzado y, finalmente, infraestructura de computación cuántica.