Ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Wissenschaftlern der Boston University, der Berkeley University und der Northwestern University haben das weltweit erste elektronisch-photonische Quantensystem auf einem einzigen Siliciumchip vorgestellt.
An interdisciplinary research team of scientists from Boston University, UC Berkeley and Northwestern University has unveiled the world's first electronic-photonic quantum system on a single silicon chip.
Das System kombiniert Quantenlichtquellen und stabilisierende Elektronik unter Verwendung eines standardmäßigen 45-nm-Halbleiterfertigungsprozesses, um zuverlässige Ströme korrelierter Photonenpaare zu erzeugen. Das Ergebnis der in der Zeitschrift ‚Nature Electronics' erschienenen Studie ebnet den Weg hin zu massenproduzierbaren ‚Quantenlichtfabrik'-Chips und groß angelegten Quantensystemen, die aus zahlreichen solcher Chips bestehen würden.[*]
So wie elektronische Chips mit elektrischem Strom und optische Kommunikationsverbindungen mit Laserlicht betrieben werden, benötigen zukünftige Quantentechnologien einen stetigen Strom von Quantenlicht, um ihre Funktionen auszuführen. Hierfür schufen die Forscher eine Reihe von ‚Quantenlichtfabriken' auf einem Siliciumchip, von denen jede weniger als einen mm2 groß ist.
Die Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts auf einem Chip erfordert präzise konstruierte photonische Bauelemente, insbesondere Mikroringresonatoren. Um Quantenlichtströme in Form von korrelierten Photonenpaaren zu erzeugen, müssen die Resonatoren synchron mit dem einfallenden Laserlicht abgestimmt werden, das jede Quantenlichtfabrik auf dem Chip mit Energie versorgt. Diese Bauelemente reagieren jedoch äußerst empfindlich auf Temperatur- und Fertigungsschwankungen, die zu einer Desynchronisation führen und die gleichmäßige Erzeugung von Quantenlicht stören können.
Ein Teil des Forscherteams (v.l.n.r.): Imbert Wang, Prof. Milos Popovic, Daniel Kramnik, Prof. Prem Kumar (Studienleiter), Josep Fargas
Stabile Quantenlichtquellen direkt auf dem Chip
Um diese Herausforderung zu meistern, baute das Team ein integriertes System, das Quantenlichtquellen auf dem Chip aktiv stabilisiert – insbesondere die Silicium-Mikroringresonatoren, die die Ströme korrelierter Photonen erzeugen. Jeder Chip enthält zwölf solcher parallel betreibbarer Quellen. Jeder Resonator muss auch bei Temperaturdrift und Interferenzen durch benachbarte Einheiten – einschließlich der anderen elf Photonenpaarquellen auf dem Chip – mit dem einfallenden Laserlicht synchron bleiben.
Ein wesentlicher Schritt in Richtung skalierbarer Quantensysteme war, dass die Steuerung direkt auf dem Chip integriert wurde und so ein Quantenprozess in Echtzeit stabilisiert werden konnte.
Die extreme Sensibilität der Mikroringresonatoren ist der Grund, warum sie Quantenlichtströme effizient und auf minimaler Chipfläche erzeugen können. Zugleich können jedoch schon kleine Temperaturschwankungen den Prozess der Photonenpaar-Erzeugung stören. Das Team löste dieses Problem, indem es Photodioden in die Resonatoren integrierte, die die Ausrichtung mit dem einfallenden Laser überwachen und gleichzeitig die Erzeugung von Quantenlicht aufrechterhalten. On-Chip-Heizelemente und Steuerlogik passen die Resonanz kontinuierlich an, um eine mögliche Drift auszugleichen.
Eine zentrale Herausforderung der Forschungsarbeiten bestand darin, das Photonikdesign so zu optimieren, dass es den hohen Anforderungen der Quantenoptik gerecht wird und gleichzeitig die Vorgaben einer kommerziellen CMOS-Plattform erfüllt. So wurde es möglich, Elektronik und Quantenoptik als einheitliches System gemeinsam zu entwickeln.
Da der Chip jede Quelle mithilfe einer integrierten Rückkopplung stabilisiert, verhält er sich trotz Temperaturänderungen und Fertigungstoleranzen vorhersehbar und erfüllt damit eine wesentliche Voraussetzung für die Skalierung von Quantensystemen. Er wurde auf einer kommerziellen 45-nm-CMOS-Chip-Plattform hergestellt. Mit zunehmender Größe und Komplexität quantenphotonischer Systeme könnten Chips wie dieser künftig zu Bausteinen für Technologien werden, die von sicheren Kommunikationsnetzwerken über fortschrittliche Sensorik bis hin zu Quantencomputer-Infrastrukturen reichen.
www.bu.edu, www.berkeley.edu, www.northwestern.edu
Referenzen
[*] Kramnik, D., Wang, I., Ramesh, ‚Scalable feedback stabilization of quantum light sources on a CMOS chip', in: Nature Electronics 8, S. 620–630, (2025), https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5 (Abruf: 20.08.2025).
