موفقیت بزرگ: تولید انبوه سیستم‌های فوتونیک کوانتومی در کارخانجات تجاری سیلیکون امکان‌پذیر شد

برای دهه‌ها، توسعه محاسبات کوانتومی در یک پارادوکس ناامیدکننده گرفتار شده بود. فیزیک زیربنایی آن نویدبخش قدرت محاسباتی بی‌نظیری است که قادر به حل مسائلی است که ابرکامپیوترهای کلاسیک هزاران سال برای حل آن‌ها زمان نیاز دارند، اما سخت‌افزار مورد نیاز برای مهار این قدرت، به شکلی سرسختانه سفارشی و خاص باقی مانده بود. تنظیمات کوانتومی سنتی نیازمند محیط‌های آزمایشگاهی بکر، متکی بر لیزرهای حجیم، سرمایش شدید برودتی و قطعات دست‌ساز هستند که مقیاس‌پذیری کارآمد آن‌ها تقریباً غیرممکن است. تنش اصلی در این حوزه همیشه شکاف گسترده بین نیاز نظری به میلیون‌ها کیوبیت پایدار و واقعیت فیزیکی ساخت و کالیبره کردن پرزحمت آن‌ها به صورت تک به تک بوده است.[6]

اکنون، مجموعه‌ای از پیشرفت‌های هماهنگ در سراسر دانشگاه‌ها و صنعت، شروع به حل این گلوگاه تولید کرده است. محققان و تولیدکنندگان تجاری نیمه‌رسانا با موفقیت سخت‌افزار کوانتومی را از آزمایشگاه‌های ایزوله خارج کرده و به همان کارخانجات ریخته‌گری سیلیکونی منتقل کرده‌اند که تراشه‌های مورد نیاز گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌های مدرن را تولید می‌کنند. با اثبات این که قطعات کوانتومی شکننده می‌توانند از فرآیندهای استاندارد تولید تجاری جان سالم به در ببرند، صنعت اساساً مسیر فناوری کوانتومی را از یک آزمایش فیزیک سفارشی به یک رشته مهندسی مقیاس‌پذیر تغییر داده است.[1][3][6]

مکانیزم اصلی که این تغییر را ممکن می‌سازد، فناوری‌ای است که به عنوان فوتونیک سیلیکونی شناخته می‌شود. فوتونیک سیلیکونی به جای تکیه بر جریان‌های الکتریکی برای انتقال داده، از ذرات نور (فوتون‌ها) برای حمل اطلاعات کوانتومی از طریق کانال‌های میکروسکوپی حک شده در سیلیکون استفاده می‌کند. در حالی که فوتون‌ها حامل‌های عالی اطلاعات کوانتومی هستند زیرا می‌توانند در دمای اتاق کار کنند و بهتر از انواع دیگر کیوبیت‌ها در برابر تداخل محیطی مقاومت کنند، تولید و کنترل آن‌ها از لحاظ تاریخی نیازمند تجهیزات خارجی عظیمی بوده است. حتی نوسانات جزئی دما یا نقص‌های نامحسوس تولیدی می‌توانند حالت‌های کوانتومی شکننده مورد نیاز برای محاسبات را از بین ببرند.[1][2]

کنسرسیومی از دانشمندان دانشگاه نورث‌وسترن، دانشگاه بوستون و یو‌سی برکلی اخیراً این مانع را با نمایش اولین سیستم الکترونیک-فوتونیک-کوانتومی جهان که روی یک تراشه واحد ادغام شده است، برطرف کردند. این تراشه که با استفاده از فرآیند استاندارد ۴۵ نانومتری نیمه‌رسانای اکسید فلزی مکمل (CMOS) ساخته شده است، هم اجزای تولیدکننده نور کوانتومی و هم مدارهای کنترلی الکترونیکی کلاسیک را در ناحیه‌ای به ابعاد فقط یک میلی‌متر در یک میلی‌متر جای داده است. هنگامی که یک لیزر متمرکز به کانال‌های کوچک و حلقه‌ای شکل روی تراشه هدایت می‌شود، به طور طبیعی جفت فوتون‌های درهم‌تنیده تولید می‌کند که به عنوان کیوبیت‌های بنیادی برای این سیستم عمل می‌کنند.[1][2]

موفقیت واقعی این نمایش آکادمیک در ادغام الکترونیک کنترلی کلاسیک مستقیماً در کنار اجزای کوانتومی نهفته است. الکترونیک هوشمند داخلی، منابع نور کوانتومی را به صورت لحظه‌ای نظارت و تثبیت می‌کند و به طور خودکار نویز محیطی و نوسانات حرارتی را که قبلاً نیازمند یک محیط آزمایشگاهی بکر بود، تصحیح می‌کند. با جاسازی مکانیسم‌های کنترل مستقیماً روی سیلیکون، محققان ثابت کردند که فرآیندهای پیچیده کوانتومی می‌توانند به طور مستقل در یک معماری تولید انبوه مدیریت شوند و نیاز به قفسه‌های گسترده تجهیزات تثبیت خارجی را از بین می‌برند.[1][2]

اعمال یک لنز کنجکاو و شکاک به چشم‌انداز گسترده‌تر صنعت، تمایز مهمی را بین آنچه واقعاً عرضه شده و آنچه صرفاً در مواد بازاریابی اعلام می‌شود، آشکار می‌کند. بیانیه‌های مطبوعاتی استارت‌آپ‌های کوانتومی اغلب از عرضه قریب‌الوقوع پردازنده‌های «میلیون کیوبیتی» و محاسبات تحمل‌پذیر در برابر خطا خبر می‌دهند. با این حال، سخت‌افزاری که در حال حاضر از خطوط مونتاژ خارج می‌شود، تنها ثابت می‌کند که فرآیندهای تولید بنیادی در مقیاس کار می‌کنند، نه این که یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً تحقق یافته و تصحیح‌شده از خطا امروز آماده استقرار تجاری است. فاز فعلی مربوط به ایجاد زنجیره تأمین است، نه ارائه محصول محاسباتی نهایی.[5][6]

با وجود تبلیغات زیاد، نقاط عطف تولیدی که در ماه‌های اخیر به دست آمده‌اند، واقعاً مهم هستند. کارخانجات ریخته‌گری تجاری بزرگ به طور فعال در حال بازسازی خطوط تولید خود برای پشتیبانی از فوتونیک سیلیکونی هستند، که این امر هم توسط نیازهای محاسبات کوانتومی و هم تقاضاهای عظیم پهنای باند مراکز داده هوش مصنوعی هدایت می‌شود. UMC اخیراً اعلام کرد که تأسیسات تولید ۱۲ اینچی آن در سنگاپور با موفقیت اولین دسته از ویفرهای فوتونیک سیلیکونی تولید انبوه شده خود را تحویل داده است. این تحویل نشان‌دهنده یک انتقال حیاتی از تحقیق و توسعه به تجاری‌سازی واقعی است و ثابت می‌کند که تجهیزات موجود ویفر ۱۲ اینچی می‌توانند برای تولید فوتونیک سازگار شوند.[3]

سایر بازیگران اصلی نیمه‌رسانا به سرعت در حال پیروی هستند تا موقعیت خود را در زنجیره تأمین فوتونیک نوظهور تضمین کنند. Tower Semiconductor همکاری استراتژیک خود را با شرکت سخت‌افزار کوانتومی Xanadu گسترش داده است تا یک پشته کوانتومی فوتونیک سیلیکونی سفارشی را صنعتی کند. تلاش مهندسی مشترک آن‌ها بر انتقال معماری محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری Xanadu از نمونه اولیه به سیستم‌های نمایشی در یک پلتفرم تولید ۲۰۰ میلی‌متری تثبیت شده متمرکز است. این همکاری به طور خاص بهینه‌سازی موج‌برهای نیترید سیلیکونی با اتلاف فوق‌العاده کم را هدف قرار می‌دهد، که برای درهم‌تنیدگی هزاران کیوبیت روی یک تراشه واحد حیاتی هستند.[4]

به طور مشابه، PsiQuantum طرح‌های دقیقی را برای یک پلتفرم قابل تولید منتشر کرده است که از فرآیندهای کارخانه ریخته‌گری نیمه‌رسانای تجاری در GlobalFoundries برای ایجاد سیستم‌های فوتونیک کوانتومی کاملاً یکپارچه استفاده می‌کند. رویکرد فنی آن‌ها تولید فوتونیک سیلیکونی پایه را برای انطباق با الزامات خاص کوانتومی – مانند ادغام مشترک اجزای نوری دمای اتاق با آشکارسازهای برودتی – تغییر می‌دهد، در حالی که سازگاری سختگیرانه با استانداردهای تولید با حجم بالا را حفظ می‌کند. با تأیید این طرح‌های پیچیده در پلتفرم‌های تولیدی تثبیت شده، این شرکت‌ها اطمینان می‌دهند که ماژول‌های کوانتومی آینده قادر خواهند بود به طور یکپارچه با زیرساخت‌های موجود مخابراتی و مراکز داده ادغام شوند، به جای این که نیازمند پارادایم‌های عملیاتی کاملاً جدید باشند.[5]

انتقال به تولید انبوه بدون موانع مهندسی جدی نیست که صنعت هنوز باید بر آن‌ها غلبه کند. ادغام موج‌برهای نوری با دقت بالا با مدارهای الکترونیکی استاندارد نیازمند هم‌ترازی زیر نانومتری در طول فرآیند تولید است. نرخ بازده – درصد تراشه‌های کاملاً کاربردی تولید شده در هر ویفر سیلیکونی – همچنان یک راز صنعتی به شدت محافظت شده باقی مانده است، و هزینه سرمایه‌ای مورد نیاز برای تجهیز یک تأسیسات تولید چند میلیارد دلاری با زیرساخت‌های تخصصی تست فوتونیک بسیار زیاد است. تا زمانی که این ظرافت‌های تولیدی به طور کامل برطرف نشوند، اقتصاد واحد تراشه‌های فوتونیک کوانتومی بالاتر از الکترونیک سیلیکونی سنتی باقی خواهد ماند.[3][6]

همگرایی حجم کاری داده‌محور و فرآیندهای فوتونیک سیلیکونی بالغ در حال تغییر شکل اکوسیستم ارتباطات گسترده‌تر است. در حالی که محاسبات کوانتومی پیشرفته‌ترین کاربرد این فناوری را نشان می‌دهد، محرک مالی فوری برای کارخانجات ریخته‌گری، تقاضا برای اتصالات داخلی با پهنای باند فوق‌العاده بالا و تأخیر کم در شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی است. این ماهیت دوگانه فوتونیک سیلیکونی – که هم به زیرساخت‌های هوش مصنوعی کوتاه‌مدت و هم به توسعه کوانتومی بلندمدت خدمت می‌کند – توجیه اقتصادی را برای کارخانجات ریخته‌گری فراهم می‌کند تا میلیاردها دلار در تجهیزات لیتوگرافی و حکاکی جدید سرمایه‌گذاری کنند. زیربنای تولید مشترک تضمین می‌کند که توسعه سخت‌افزار کوانتومی از سرمایه عظیمی که در حال حاضر به سمت هوش مصنوعی سرازیر شده است، بهره‌مند خواهد شد.[3][6]

در نهایت، ساخت موفقیت‌آمیز سیستم‌های فوتونیک کوانتومی در کارخانجات ریخته‌گری تجاری نشان‌دهنده یک تغییر دائمی در نحوه رویکرد صنعت به توسعه سخت‌افزار است. دوران دستگاه‌های کوانتومی دست‌ساز و هنری در حال واگذاری جای خود به ادغام استاندارد شده و در مقیاس ویفر است. در حالی که تحقق یک کامپیوتر کوانتومی تحمل‌پذیر در برابر خطا که قادر به شکستن رمزگذاری مدرن یا شبیه‌سازی مولکول‌های پیچیده باشد، سال‌ها فاصله دارد، زیرساخت فیزیکی مورد نیاز برای ساخت آن اکنون به طور فعال از همان خطوط مونتاژی خارج می‌شود که دنیای دیجیتال مدرن را ساخته‌اند.[1][2][6]