दुनिया की पहली हाइब्रिड चिप इलेक्ट्रॉनिक्स, फोटोनिक्स और क्वांटम पावर का संयोजन करती है

एक अंतःविषयक शैक्षणिक टीम ने क्वांटम प्रकाश स्रोतों और नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को एक ही सिलिकॉन चिप पर सफलतापूर्वक एकीकृत किया है।

क्वांटम तकनीक में एक महत्वपूर्ण प्रगति के रूप में, बोस्टन विश्वविद्यालय, यूसी बर्कले और नॉर्थवेस्टर्न विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनिक, फोटोनिक और क्वांटम घटकों को एकीकृत करने वाली पहली चिप विकसित की है। नेचर इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रकाशित उनके निष्कर्ष एक ऐसी प्रणाली का वर्णन करते हैं जो क्वांटम प्रकाश स्रोतों को स्थिरीकरण इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ मिलाती है, और यह सब एक मानक 45-नैनोमीटर अर्धचालक प्रक्रिया का उपयोग करके निर्मित किया गया है।

यह एकीकरण चिप को सहसंबद्ध फोटॉन युग्मों (प्रकाश के कणों) की सुसंगत धाराएँ उत्पन्न करने में सक्षम बनाता है, जो कई क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक निर्माण खंड हैं। यह सफलता “क्वांटम प्रकाश फ़ैक्टरी” चिप्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन और कई परस्पर जुड़े चिप्स से बने अधिक जटिल क्वांटम सिस्टम के विकास की दिशा में एक बड़ा कदम है।

बीयू में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर और इस अध्ययन के वरिष्ठ लेखक मिलोस पोपोविच कहते हैं, “क्वांटम कंप्यूटिंग, संचार और संवेदन, अवधारणा से वास्तविकता तक पहुँचने के दशकों लंबे रास्ते पर हैं।” “यह उस दिशा में एक छोटा कदम है—लेकिन एक महत्वपूर्ण कदम है, क्योंकि यह दर्शाता है कि हम व्यावसायिक अर्धचालक ढलाई कारखानों में दोहराए जाने योग्य, नियंत्रणीय क्वांटम प्रणालियाँ बना सकते हैं।”

नॉर्थवेस्टर्न में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग के प्रोफ़ेसर और क्वांटम ऑप्टिक्स के अग्रणी प्रेम कुमार कहते हैं, “इस काम के लिए जिस तरह के अंतःविषय सहयोग की ज़रूरत थी, वही क्वांटम सिस्टम को प्रयोगशाला से स्केलेबल प्लेटफ़ॉर्म पर ले जाने के लिए ज़रूरी है।” “इलेक्ट्रॉनिक्स, फ़ोटोनिक्स और क्वांटम मापन के संयुक्त प्रयासों के बिना हम यह काम नहीं कर पाते।”

चिप-आधारित “क्वांटम लाइट फैक्ट्री” का निर्माण
जिस तरह इलेक्ट्रॉनिक चिप्स विद्युत धाराओं से और ऑप्टिकल संचार लिंक लेज़र प्रकाश से संचालित होते हैं, उसी तरह भविष्य की क्वांटम तकनीकों को अपने कार्यों को करने के लिए क्वांटम प्रकाश संसाधन इकाइयों की एक सतत धारा की आवश्यकता होगी। इसे सुनिश्चित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सिलिकॉन चिप पर “क्वांटम प्रकाश कारखानों” की एक श्रृंखला बनाई, जिनमें से प्रत्येक का आकार एक मिलीमीटर गुणा एक मिलीमीटर से भी कम था।

चिप पर प्रकाश की क्वांटम अवस्थाएँ उत्पन्न करने के लिए सटीक रूप से डिज़ाइन किए गए फोटोनिक उपकरणों की आवश्यकता होती है—विशेष रूप से, माइक्रोरिंग रेज़ोनेटर (ये वही उपकरण हैं जिन्हें हाल ही में एनवीडिया के सीईओ जेन्सन हुआंग ने ऑप्टिकल इंटरकनेक्शन के माध्यम से एनवीडिया के एआई कंप्यूट हार्डवेयर के भविष्य के विस्तार के लिए अभिन्न अंग के रूप में पहचाना है)। क्वांटम प्रकाश की धाराओं को, फोटोन के सहसंबद्ध युग्मों के रूप में, उत्पन्न करने के लिए, रेज़ोनेटर को आने वाले लेज़र प्रकाश के साथ तालमेल बिठाना होगा जो चिप पर प्रत्येक क्वांटम प्रकाश कारखाने को शक्ति प्रदान करता है (और उत्पादन प्रक्रिया के लिए ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है)। लेकिन ये उपकरण तापमान और निर्माण परिवर्तनों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं, जो उन्हें तालमेल से बाहर कर सकते हैं और क्वांटम प्रकाश के स्थिर उत्पादन को बाधित कर सकते हैं।

इस चुनौती का समाधान करने के लिए, टीम ने एक एकीकृत प्रणाली बनाई जो चिप पर क्वांटम प्रकाश स्रोतों को सक्रिय रूप से स्थिर करती है—विशेष रूप से, सिलिकॉन माइक्रोरिंग रेज़ोनेटर जो सहसंबद्ध फोटॉनों की धाराएँ उत्पन्न करते हैं। प्रत्येक चिप में बारह ऐसे स्रोत होते हैं जो समानांतर रूप से संचालित होते हैं, और प्रत्येक रेज़ोनेटर को तापमान में उतार-चढ़ाव और आस-पास के उपकरणों से होने वाले हस्तक्षेप की स्थिति में भी, जिसमें चिप पर मौजूद अन्य ग्यारह फोटॉन-युग्म स्रोत भी शामिल हैं, अपने आने वाले लेज़र प्रकाश के साथ तालमेल बनाए रखना चाहिए।

वास्तविक समय क्वांटम नियंत्रण को एम्बेड करना
नॉर्थवेस्टर्न के पीएचडी छात्र अनिरुद्ध रमेश, जिन्होंने क्वांटम मापन का नेतृत्व किया, कहते हैं, “मुझे सबसे ज़्यादा यह बात उत्साहित करती है कि हमने नियंत्रण को सीधे चिप पर एम्बेड कर दिया है—जिससे क्वांटम प्रक्रिया वास्तविक समय में स्थिर हो जाती है।” “यह स्केलेबल क्वांटम सिस्टम की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।”

क्वांटम प्रकाश स्रोतों के निर्माण खंड, माइक्रोरिंग रेज़ोनेटरों की अत्यधिक संवेदनशीलता सर्वविदित है और यह वरदान भी है और अभिशाप भी। यही कारण है कि वे क्वांटम प्रकाश धाराएँ कुशलतापूर्वक और न्यूनतम चिप क्षेत्र में उत्पन्न कर सकते हैं। हालाँकि, तापमान में मामूली बदलाव फोटॉन-युग्म निर्माण प्रक्रिया को बाधित कर सकते हैं। बीयू के नेतृत्व वाली टीम ने रेज़ोनेटरों के अंदर फोटोडायोड्स को इस तरह एकीकृत करके इस समस्या का समाधान किया कि वे आने वाले लेज़र के साथ संरेखण की निगरानी करते हुए क्वांटम प्रकाश उत्पादन को बनाए रखें। ऑन-चिप हीटर और नियंत्रण तर्क, बहाव के अनुसार रेज़ोनेंस को लगातार समायोजित करते हैं।

बोस्टन विश्वविद्यालय में पीएचडी छात्र इम्बर्ट वांग, जिन्होंने फोटोनिक उपकरण डिज़ाइन का नेतृत्व किया था, कहते हैं, “हमारे पिछले काम की तुलना में एक प्रमुख चुनौती फोटोनिक्स डिज़ाइन को क्वांटम ऑप्टिक्स की ज़रूरतों को पूरा करने के लिए आगे बढ़ाना था, जबकि एक व्यावसायिक CMOS प्लेटफ़ॉर्म की सख्त सीमाओं के भीतर रहना था।” “इससे इलेक्ट्रॉनिक्स और क्वांटम ऑप्टिक्स को एक एकीकृत प्रणाली के रूप में सह-डिज़ाइन करना संभव हुआ।”

चूँकि चिप प्रत्येक स्रोत को स्थिर करने के लिए अंतर्निहित फ़ीडबैक का उपयोग करती है, इसलिए यह तापमान परिवर्तन और निर्माण संबंधी विविधताओं के बावजूद पूर्वानुमानित रूप से कार्य करती है—जो क्वांटम प्रणालियों के विस्तार के लिए एक आवश्यक आवश्यकता है। इसे एक वाणिज्यिक 45-नैनोमीटर पूरक धातु-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (CMOS) चिप प्लेटफ़ॉर्म पर निर्मित किया गया था, जिसे मूल रूप से BU, UC बर्कले, ग्लोबलफ़ाउंड्रीज़ और सिलिकॉन वैली स्टार्टअप अयार लैब्स के बीच घनिष्ठ सहयोग से विकसित किया गया था। यह दोनों विश्वविद्यालयों में हुए शोध से विकसित हुआ और अब ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट चिपलेट्स में उद्योग का अग्रणी है। नॉर्थवेस्टर्न के साथ नए सहयोग के माध्यम से, वही निर्माण प्रक्रिया अब न केवल AI और सुपरकंप्यूटिंग के लिए उन्नत ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट सक्षम बनाती है, बल्कि, जैसा कि अध्ययन में दिखाया गया है, एक स्केलेबल सिलिकॉन प्लेटफ़ॉर्म पर जटिल क्वांटम फोटोनिक सिस्टम भी सक्षम बनाती है।

यूसी बर्कले में पीएचडी छात्र और चिप डिज़ाइन, पैकेजिंग और एकीकरण के प्रमुख डैनियल क्रैमनिक कहते हैं, “हमारा लक्ष्य यह दिखाना था कि जटिल क्वांटम फोटोनिक सिस्टम पूरी तरह से एक CMOS चिप के भीतर बनाए और स्थिर किए जा सकते हैं।” “इसके लिए उन क्षेत्रों में सघन समन्वय की आवश्यकता थी जो आमतौर पर एक-दूसरे से जुड़े नहीं होते।”

जैसे-जैसे क्वांटम फोटोनिक प्रणालियां पैमाने और जटिलता में प्रगति करती हैं, इस तरह की चिप्स सुरक्षित संचार नेटवर्क से लेकर उन्नत संवेदन और अंततः क्वांटम कंप्यूटिंग अवसंरचना तक की प्रौद्योगिकियों के लिए आधारशिला बन सकती हैं।

कई स्नातक छात्र लेखकों ने तब से उद्योग में सिलिकॉन फोटोनिक्स और क्वांटम तकनीकों को आगे बढ़ाने का काम जारी रखा है। जोसेप मारिया फरगास कैबनिल्लास और अनिरुद्ध रमेश अब फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटर स्टार्टअप साइक्वांटम में हैं, जबकि डोर्डे ग्लुहोविक और सिडनी बुचबिंदर अयार लैब्स में शामिल हो गए हैं। इम्बर्ट वांग ऑरोरा में हैं। डैनियल क्रैमनिक गूगल एक्स में हैं और एक सिलिकॉन फोटोनिक्स स्टार्टअप पर काम कर रहे हैं। ये प्रगतियाँ सिलिकॉन फोटोनिक्स के पीछे बढ़ती गति को दर्शाती हैं, आज के एआई कंप्यूटिंग बुनियादी ढाँचे के विस्तार में, और लंबी अवधि में स्केलेबल, चिप-आधारित क्वांटम प्रणालियों को सक्षम बनाने में।