בתמונה למעלה: מארז הכולל את השבב הניסיוני, תחת מיקרוסקופ. מקור: אוניברסיטת בוסטון

חוקרים מאוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה, אוניברסיטת בוסטון ואוניברסיטת נורת’ווסטרן הצליחו לראשונה לשלב מקורות אור קוונטיים על גבי שבב סיליקון, כחלק מתהליך CMOS רגיל בתעשיית השבבים. מדובר במחקר פורץ דרך שמחבר בין הפוטוניקה הקוונטית לבין טכנולוגיות ייצור שבבים סטנדרטיות, ומסמן שלב ראשון בדרך לאינטגרציה תעשייתית של רכיבי קוונטום על גבי סיליקון.

השבב מהווה הדגמה ראשונה מסוגה לתחום חדש: סיליקון פוטוניקס קוונטי. בעשור האחרון הפכה הפוטוניקה מבוססת סיליקון לאחת מטכנולוגיות הליבה של תחום הדאטה סנטרים והתקשורת הבין-שבבית, בזכות יכולתה לשלב רכיבים אופטיים על גבי פלטפורמות סיליקון מסחריות. ואולם, אם ביישומים נוכחיים של טכנולוגיית סיליקון פוטוניקס נעשה שימוש במקורות אור רגילים – בדרך כלל לייזרים – לצורך תעבורת מידע, במחקר הנוכחי נעשה שימוש במקורות אור קוונטיים, הקרויים "מיקרו-רינגים", המייצרים זוגות של "פוטונים שזורים" המעבירים מידע קוונטי ולא דיגיטלי רגיל.

ערוץ תקשורת קוונטי חסין

במחקר, שפורסם ב-Nature Electronics, שילבו החוקרים את אותם מיקרו-רינגים עם מעגלי בקרה חשמליים, וכל זאת בתהליך ייצור סטנדרטי ב-45 ננומטר של חברת GlobalFoundries, בלי צורך בהנדסה מיוחדת מחוץ למפעל. ההישג פותח פתח לשילוב עתידי של יישומים קוונטיים כמו תקשורת מאובטחת, חישה מדויקת ואף מחשוב פוטוני עתידי, על גבי פלטפורמות רגילות של סיליקון פוטוניקס.

המטרה המרכזית של טכנולוגיות תקשורת קוונטית כיום היא להוסיף שכבת אבטחה בלתי ניתנת לפריצה לערוצי תקשורת קלאסיים. המידע עצמו עדיין עובר בערוצים רגילים – כמו סיבים אופטיים או רשתות IP – אך לצידו מועברים פוטונים קוונטיים, בדרך כלל בזוגות שזורים, שמעבירים את מפתחות ההצפנה. זהו עקרון הפעולה של שיטת האבטחה QKD – חלוקת מפתח קוונטית – שמאפשרת לזהות כל ניסיון יירוט בזמן אמת, הודות לעובדה שהמדידה עצמה משנה את מצב הפוטון. כך נוצר מערך אבטחה המבוסס על חוקי הפיזיקה, ולא רק על חישובים מתמטיים, ועל כן היא גם נקראת "הצפנה פוסט-קוונטית", כלומר הצפנה שתהיה חסינה מפני יכולות שבירת ההצפנות של מחשבים קוונטיים. השילוב של מקורות פוטונים קוונטיים בתוך שבבים סטנדרטיים נועד לאפשר הטמעה רחבת היקף של יכולות אלו בתוך רשתות תקשורת קיימות – ולבסוף גם בתוך חומרת משתמש, כמו נתבים, מרכזיות, או שרתי ענן מאובטחים.

לשמור על יציבות קוונטית בסביבה רגילה

השבב שפותח כולל 12 מקורות פוטונים קוונטיים עצמאיים, מיקרו-רינגים, הפועלים במקביל. המיקרו-רינג הוא מבנה אופטי זעיר בצורת טבעת, המאפשר ללכוד ולחזק אור בתדר מסוים בתוך שבב סיליקון. מדובר ברזונאטור – תהודה מעגלית – שמוליך גלים אופטיים בצורה סיבובית, עד שמתקבלת "עמידה" של אור בתדר מאוד מסוים. תכונה זו מאפשרת לשלוט בצורה מדויקת על אורך הגל של הפוטונים ולייצר אפקטים לא לינאריים, כמו יצירת זוגות פוטונים שזורים.

אחד האתגרים המרכזיים בשילוב ערוץ תקשורת קוונטי בתוך שבב סיליקון רגיל הוא הצורך לשמור על יציבות גבוהה של הפוטונים הקוונטיים בתנאים סביבתיים משתנים. פוטונים שזורים רגישים מאוד להפרעות כמו שינויי טמפרטורה, רעש תרמי, או סטיות זעירות שנוצרות בתהליך הייצור – כל אלה עלולים לשבש את תדר הפעולה של המקור, לפגוע בשזירה, או ליצור אי-תאימות בין מקורות שונים על השבב. כדי להתמודד עם כך, כל מיקרו-רינג מצויד בזוג רכיבים נוספים: גלאי פוטואלקטרי פנימי, שמודד את הפלט בזמן אמת, וגוף חימום זעיר שמבצע תיקון תרמי דינמי. בדרך זו, כל מקור אור מתכוונן אוטומטית לתדר הרצוי, גם בתנאי סביבה משתנים – כמו חום שנפלט מהמארז או סטייה שנובעת משונות תהליכית.

ואמנם, החוקרים מדדו את ביצועי המערכת ומצאו שהיא שומרת על רמות גבוהות של תאימות ספקטרלית בין המקורות, עם סטיית תדר של פחות מ-0.02 ננומטר לאחר הייצוב. מקור הלייזר הראשי, שמזין את השבב, מופעל חיצונית, אך כל יתר המערך – יצירת הפוטונים, הגילוי, והבקרה – מתקיים בתוך השבב עצמו.

החשיבות של הפיתוח אינה רק במדע – אלא גם בשיטה. השימוש בתהליך ייצור סטנדרטי של חברת GlobalFoundries, יחד עם כלים אוטומטיים לבקרת תדר, מאפשר לראשונה לדמיין מערכות פוטוניקה קוונטית בגישת "plug-and-play" – התקנים שמיוצרים כמו כל שבב אחר, בלי להזדקק לחדרים אופטיים, מראות או כיול חיצוני. נכון לעכשיו, מדובר עדיין בפרוטוטיפ ניסיוני שנבחן במסגרת מחקרית, אך החוקרים רואים בו אבן יסוד לקראת הדור הבא של מערכות קוונטיות: כאלה שניתן לייצר, לשכפל ולהפעיל כמו כל רכיב אלקטרוני אחר.

אם מגמת הפיתוח הזו תימשך, ייתכן שבעתיד נראה רכיבים קוונטיים משתלבים בפלטפורמות סיליקון רגילות – לא רק באקדמיה, אלא גם בעולם האבטחה, המידע, והחישה. הממשק בין פוטונים שזורים לאלקטרוניקה סטנדרטית עשוי להוות מפתח למימוש תשתיות קוונטיות בקנה מידה תעשייתי, על בסיס שרשרת האספקה שכבר קיימת. —