Il chip acousto-ottico CMOS sviluppato dai ricercatori introduce un controllo delle frequenze laser estremamente efficiente per il quantum computing, riducendo il consumo di potenza microonde di circa 80 volte rispetto ai modulatori commerciali e affrontando il principale collo di bottiglia dei sistemi quantistici scalabili basati su ioni intrappolati e atomi neutri. Parallelamente, una scoperta sul timekeeping quantistico dimostra che la misurazione genera un costo energetico fino a un miliardo di volte superiore al funzionamento del clock stesso, ridefinendo il ruolo dell’osservazione nella direzione del tempo.
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Architettura del chip acousto-ottico miniaturizzato
Il dispositivo è un modulatore di fase acousto-ottico per luce visibile a 730 nanometri, operante a 2,31 gigahertz, fabbricato su wafer da 200 millimetri con processi CMOS standard. La piattaforma piezo-optomeccanica combina nitruro di alluminio e nitruro di silicio, integrando un trasduttore piezoelettrico che eccita risonanze meccaniche in modalità breathing.
b Profilo simulato dell’ampiezza di spostamento normalizzata di un modo meccanico a 2,27 GHz.
c Componente
x normalizzata simulata
del campo elettrico per il modo elettrico trasversale fondamentale della guida d’onda a 730 nm, al quale il modo meccanico è fortemente accoppiato optomeccanicamente.
d SEM a falsi colori della sezione trasversale del dispositivo.
e Rappresentazione grafica tridimensionale del dispositivo. Uno strato di incisione e rilascio rimuove il materiale ai lati e al di sotto del modulatore, che è supportato da nanopillari posizionati periodicamente. Le microonde sono accoppiate agli elettrodi del trasduttore piezoelettrico del dispositivo tramite uno strato di routing e accessi di interconnessione verticale (VIA).
f Micrografia di una sottosezione del die. Le guide d’onda contenenti i dispositivi modulatori di fase corrono da sinistra a destra.
g Fotografia del die su cui sono fabbricati i dispositivi, posizionata accanto a una moneta da dieci centesimi degli Stati Uniti per confronto delle dimensioni.
Tali risonanze modificano l’indice rifrattivo del modo ottico attraverso effetti fotoelastici e moving-boundary, consentendo una modulazione di fase fino a 4,85 radianti con appena 80 milliwatt di potenza microonde. Il chip supporta oltre 500 milliwatt di potenza ottica, con perdite on-chip di 0,55 decibel per centimetro e un tempo di switching di 31,4 nanosecondi, parametri compatibili con sistemi quantistici ad alta densità.
Funzionamento della modulazione acousto-ottica a gigahertz
Il modulatore varia sinusoidalmente la fase del fascio laser sfruttando vibrazioni meccaniche che oscillano miliardi di volte al secondo. Il trasduttore piezoelettrico converte segnali elettrici a microonde in onde acustiche confinanti, che a loro volta controllano direttamente la fase della luce.
Ω /2
π . La modulazione di fase con risonanza migliorata si osserva in modo più evidente a 1,13 GHz, 2,31 GHz, 2,68 GHz e 2,80 GHz. L’inserto mostra in dettaglio la risonanza a 2,31 GHz, dove la potenza ottica delle bande laterali del primo e del secondo ordine eclissa ciascuna quella della portante rimanente.
b Micrografia di un dispositivo rappresentativo. Due modulatori di fase separati vanno dal basso verso l’alto.
c Diagramma sperimentale dell’impostazione per la caratterizzazione interferometrica della modulazione di fase.
In questo modo il chip genera sideband laser estremamente stabili, creando copie del raggio originale con differenze di frequenza precise al livello richiesto dalle interazioni quantistiche. Nei computer quantistici, dove i laser devono essere sintonizzati con accuratezza a miliardesimi di percento, questa integrazione consente un controllo compatto, riproducibile e a bassissimo consumo energetico.
Vantaggi per la scalabilità del quantum computing
L’adozione di un chip integrato CMOS sostituisce apparati da laboratorio voluminosi e dissipativi con componenti miniaturizzati, riducendo drasticamente calore e ingombri. Questo permette di concentrare molti canali ottici su un singolo chip, un requisito essenziale per sistemi con migliaia o milioni di qubit. Nei dispositivi a ioni intrappolati e atomi neutri, ogni qubit richiede segnali laser dedicati per operazioni come le Raman transitions; il modulatore raggiunge un’efficienza di conversione al primo sideband del 33,9 percento e una dipendenza lineare dal voltaggio fino a 1,91 volt, rendendo praticabile una produzione di massa con elevata uniformità. La compatibilità CMOS apre a una trasformazione dell’ottica quantistica analoga a quella introdotta dal transistor nella microelettronica.
Il costo energetico nascosto del timekeeping quantistico
Una seconda linea di ricerca rivela che nel timekeeping quantistico la misurazione è il vero driver del consumo energetico. Utilizzando un doppio quantum dot in cui i salti di singoli elettroni fungono da tick temporali, i ricercatori dimostrano che il processo di lettura, necessario a convertire eventi quantistici in informazioni classiche, genera entropia fino a un miliardo di volte superiore a quella prodotta dal meccanismo del clock. Correnti elettriche e onde radio, impiegate per il rilevamento, risultano quindi il principale costo termodinamico, separabile sia dal sistema quantistico sia dall’hardware di misura.
Implicazioni per orologi e sensori quantistici
Questa scoperta ribalta l’assunzione secondo cui i costi energetici dei clock quantistici siano trascurabili, mostrando che è l’atto di osservare a introdurre irreversibilità e a dare una direzione al tempo. Migliorare l’efficienza dei sistemi di misura diventa quindi più cruciale che perfezionare ulteriormente il meccanismo quantistico del clock. Le implicazioni si estendono a sensori di nuova generazione, navigazione ad alta precisione e dispositivi autonomi nanoscale, dove il bilancio energetico è determinante.
Pubblicazioni e collaborazioni scientifiche
La ricerca sul chip acousto-ottico CMOS è pubblicata su Nature Communications, con contributi di Jacob M. Freedman e Matt Eichenfield, e il coinvolgimento di Sandia National Laboratories. Lo studio sul timekeeping quantistico appare su Physical Review Letters, con la partecipazione di University of Oxford, TU Wien e Trinity College Dublin. Insieme, questi lavori spingono le tecnologie quantistiche verso efficienza, integrazione e scalabilità industriale.
Domande frequenti sul chip acousto-ottico CMOS
Cos’è un chip acousto-ottico CMOS per il quantum computing
È un modulatore integrato che controlla la fase e la frequenza dei laser tramite vibrazioni acustiche a gigahertz, realizzato con processi CMOS standard per sistemi quantistici scalabili.
Perché il consumo energetico è così ridotto
L’integrazione piezo-optomeccanica consente una modulazione efficiente con voltaggi bassi, riducendo la potenza microonde di decine di volte rispetto ai modulatori bulk.
Qual è il legame con il timekeeping quantistico
Entrambe le ricerche mostrano che l’efficienza energetica nei sistemi quantistici dipende fortemente dai processi di controllo e misurazione, non solo dai meccanismi quantistici interni.
Quali applicazioni abilita questa tecnologia
Computer quantistici a larga scala, sensori quantistici ad alta precisione e reti fotoniche integrate per il controllo di qubit basati su atomi e ioni.
