這款創新芯片大小僅為1毫米×1毫米，在極小的面積內同時集成了量子光子器件與經典電子控制電路。它不僅能夠產生用于量子通信、傳感和計算的光子對，還能通過內建的智能電子系統實時穩定輸出，實現對量子光的自主調控。

　　更具突破性的是，該芯片由商業半導體晶圓廠制造完成，顯示出其具備規模化生產的潛力。這項研究成果已發表在《自然電子學》(Nature Electronics)期刊上。

　　“以往的量子實驗依賴體積龐大、對環境極為苛刻的實驗設備，”該項目量子測量負責人、西北大學的Anirudh Ramesh表示，“而我們將多個關鍵電子功能微縮整合在一個芯片中，實現了實時穩定量子過程控制。這是邁向可擴展量子光子系統的重要一步。”

　　西北大學電氣與計算機工程教授、光子通信與計算中心主任Prem Kumar指出：“這是首次實現了單芯片的電子、光子與量子系統的集成。要將電子學與光子學融合并不容易，這是物理學家、工程師、材料科學家與制造專家跨學科協作的成果。這款芯片未來將在量子計算、通信及傳感等多個領域開啟新可能。”

　　芯片自發量子光、具備自我穩定能力

　　由于可采用與常規電子芯片相同的大規模生產工藝制造，硅芯片被視為構建光基量子系統的理想平臺。

　　然而，穩定運行這些微型量子光學器件所需的精準控制能力，長期以來超出了現有商業晶圓廠的標準。微小的溫度變化、制造誤差，甚至芯片自身產生的熱量，都可能干擾整個量子系統。

　　為維持穩定，研究人員過去只能依賴大型外部設備進行調控，使得系統難以小型化。而此次，研究團隊成功地將關鍵控制功能內建于芯片之中，消除了對外部設備的依賴。

　　早在2006年，Kumar團隊就在《光學快報》(Optics Express)上首次展示了通過在硅片中刻蝕微小光路，并注入高強度激光，可自然產生成對的光子(即量子比特)。

　　此次新研究中，研究人員將這些微環諧振器結構(直徑遠小于頭發絲)集成于芯片內，當激光照射時即可產生光子對。芯片還配備了光電流傳感器，實時監測光源變化;一旦溫度擾動引起光漂移，傳感器便會觸發微型加熱器進行補償，使光源恢復至最佳狀態。

　　正是由于這一閉環反饋控制機制，芯片在面對環境變化與制造誤差時仍能穩定運行，為未來量子系統的擴展奠定了基礎。

　　“我們的目標是證明，復雜的量子光子系統可以完全在CMOS(互補金屬氧化物半導體)芯片中構建并實現穩定運行，”UC伯克利的Danielius Kramnik表示，“這需要多個傳統上不相關的領域密切協同。”

　　量產可期，邁向實用化量子技術

　　為了確保芯片能在標準CMOS生產線上制造，研究團隊采用了巧妙的協同設計策略，將光子元件直接構建在商用CMOS結構中。

　　BU的Imbert Wang指出：“我們在CMOS的嚴格工藝限制下推動了光子器件的適配，實現了電子學與量子光學的統一設計。”

　　隨著量子光子系統向更大規模和更高復雜度發展，此類高度集成的芯片有望成為構建安全通信網絡、先進傳感器，甚至未來量子計算基礎設施的核心構件。

　　“量子計算、通信與傳感正處于從概念走向現實的長期演進之路上，”波士頓大學教授、研究資深作者Milo? Popovi?表示，“這只是其中一步，但意義重大，因為它表明我們可以在商業晶圓廠中重復制造可控的量子系統。”

　　本研究由美國國家科學基金會、帕卡德科學與工程獎學金基金會及Catalyst基金會資助，芯片制造由Ayar Labs與格羅方德(GlobalFoundries)提供技術支持。