World’s First Hybrid Chip Combines Electronics, Photonics, and Quantum Power
An interdisciplinary academic team has successfully integrated quantum light sources and control electronics onto a single silicon chip.
In a significant advancement for quantum technology, researchers from Boston University, UC Berkeley, and Northwestern University have developed the first chip that integrates electronic, photonic, and quantum components. Their findings, published in Nature Electronics, describe a system that merges quantum light sources with stabilizing electronics, all fabricated using a standard 45-nanometer semiconductor process.
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세계 최초의 하이브리드 칩, 전자공학, 광자공학, 양자역학 결합
여러 학문 분야의 팀이 양자 광원과 제어 전자 장치를 단일 실리콘 칩에 성공적으로 통합했습니다.
양자 기술의 중요한 발전으로, 보스턴 대학교, UC 버클리, 노스웨스턴 대학교 의 연구진은 전자, 광자, 양자 구성 요소를 통합한 최초의 칩을 개발했습니다. Nature Electronics 에 게재된 이 연구 결과는 양자 광원과 안정화 전자 장치를 결합한 시스템을 설명하며, 이 모든 기술은 표준 45나노미터 반도체 공정을 사용하여 제작되었습니다.
이러한 통합을 통해 칩은 여러 양자 응용 분야의 필수적인 구성 요소인 상관 광자 쌍(빛 입자)의 일관된 흐름을 생성할 수 있습니다. 이 획기적인 발전은 "양자 광 팩토리" 칩의 대량 생산과 여러 개의 상호 연결된 칩으로 구성된 더욱 복잡한 양자 시스템 개발을 향한 중요한 진전을 의미합니다.
"양자 컴퓨팅, 통신, 그리고 센싱은 개념 단계에서 현실로 구현되기까지 수십 년이 걸리는 여정에 있습니다."라고 BU 전기컴퓨터공학과 부교수이자 이 연구의 수석 저자인 밀로시 포포비치는 말합니다. "이번 연구는 그 여정에서 작은 발걸음이지만, 상업용 반도체 파운드리에서 반복 가능하고 제어 가능한 양자 시스템을 구축할 수 있음을 보여주기 때문에 매우 중요합니다."
노스웨스턴 대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 교수이자 양자 광학 분야의 선구자인 프렘 쿠마르는 "이 연구에 필요한 학제 간 협력은 양자 시스템을 실험실에서 확장 가능한 플랫폼으로 옮기는 데 정확히 필요한 것입니다."라고 말합니다. "전자공학, 광자공학, 그리고 양자 측정 분야의 공동 노력이 없었다면 이 연구는 불가능했을 것입니다."
전자 칩이 전류로 구동되고 광통신 링크가 레이저 광으로 구동되는 것처럼, 미래의 양자 기술은 그 기능을 수행하기 위해 안정적인 양자 광 자원 유닛의 흐름을 필요로 할 것입니다. 이를 위해 연구진은 실리콘 칩 위에 각 유닛의 크기가 1mm x 1mm 미만인 "양자 광 공장" 배열을 구축했습니다.
칩에서 양자 광 상태를 생성하려면 정밀하게 설계된 광자 소자, 특히 마이크로링 공진기가 필요합니다. ( 최근 엔비디아 CEO 젠슨 황이 광학적 상호 연결을 통해 엔비디아의 AI 컴퓨팅 하드웨어 확장에 필수적인 요소라고 밝힌 바로 그 소자입니다.) 상관된 광자 쌍 형태의 양자 광 스트림을 생성하려면 공진기가 칩 내 각 양자 광 팩토리에 전력을 공급하고 생성 프로세스의 연료로 사용되는 입사 레이저 광과 동기화되도록 조정되어야 합니다. 그러나 이러한 소자는 온도와 제조 공정 변화에 매우 민감하여 동기화가 깨지고 안정적인 양자 광 생성이 방해받을 수 있습니다.
이 과제를 해결하기 위해 연구팀은 칩 상의 양자 광원, 특히 상관 광자 스트림을 생성하는 실리콘 마이크로링 공진기를 능동적으로 안정화하는 통합 시스템을 구축했습니다. 각 칩에는 병렬로 작동 가능한 12개의 광원이 포함되어 있으며, 각 공진기는 온도 드리프트 및 칩 상의 다른 11개의 광자 쌍 광원을 포함한 주변 장치의 간섭에도 불구하고 입사 레이저 광과 동기화를 유지해야 합니다.
실시간 양자 제어 내장
"제가 가장 기대하는 것은 칩에 직접 제어 기능을 내장하여 양자 프로세스를 실시간으로 안정화했다는 점입니다." 양자 측정을 주도한 노스웨스턴 대학교 박사 과정생 아니루드 라메쉬는 이렇게 말합니다. "이것은 확장 가능한 양자 시스템을 향한 중요한 단계입니다."
양자 광원의 구성 요소인 마이크로링 공진기의 극한 민감도는 잘 알려져 있으며, 장점인 동시에 단점이기도 합니다. 바로 이러한 특성 덕분에 마이크로링 공진기는 최소한의 칩 면적에서 효율적으로 양자 광 스트림을 생성할 수 있습니다. 그러나 미세한 온도 변화만으로도 광자 쌍 생성 과정이 방해를 받을 수 있습니다. BU가 이끄는 연구팀은 공진기 내부에 광다이오드를 통합하여 입사 레이저와의 정렬을 모니터링하는 동시에 양자 광 생성을 유지함으로써 이 문제를 해결했습니다. 칩 내 히터와 제어 로직은 드리프트에 따라 공진을 지속적으로 조정합니다.
"이전 연구와 비교했을 때 가장 중요한 과제는 상용 CMOS 플랫폼의 엄격한 제약 조건을 충족하면서도 양자 광학의 까다로운 요구 사항을 충족하도록 광자 설계를 강화하는 것이었습니다."라고 광자 소자 설계를 주도한 보스턴 대학교 박사과정생 임버트 왕은 말합니다. "이를 통해 전자 장치와 양자 광학을 통합 시스템으로 공동 설계할 수 있었습니다."
이 칩은 내장된 피드백을 사용하여 각 소스를 안정화하기 때문에 온도 변화와 제조 공정 변화에도 예측 가능하게 동작합니다. 이는 양자 시스템 확장에 필수적인 요건입니다. 이 칩은 버팔로 대학교(BU), UC 버클리, 글로벌파운드리(GlobalFoundries), 그리고 실리콘 밸리 스타트업 아야르 랩스(Ayar Labs)의 긴밀한 협력을 통해 개발된 상용 45나노미터 CMOS(상보형 금속 산화막 반도체) 칩 플랫폼에서 제조되었습니다. 아야르 랩스는 두 대학의 연구를 기반으로 성장했으며, 현재 광 상호 연결 칩렛 분야의 업계 선두주자입니다. 노스웨스턴 대학교와의 새로운 협력을 통해, 동일한 제조 공정을 통해 AI 및 슈퍼컴퓨팅을 위한 고급 광 상호 연결뿐만 아니라, 연구에서 보여준 바와 같이 확장 가능한 실리콘 플랫폼에서 복잡한 양자 광자 시스템을 구현할 수 있게 되었습니다.
양자 광자 시스템의 규모와 복잡성이 발전함에 따라 이러한 칩은 보안 통신 네트워크부터 고급 감지, 그리고 궁극적으로 양자 컴퓨팅 인프라에 이르기까지 다양한 기술의 기본이 될 수 있습니다.
대학원생 저자 중 몇몇은 그 이후로 실리콘 포토닉스와 양자 기술을 산업계에서 지속적으로 발전시켜 왔습니다. Josep Maria Fargas Cabanillas와 Anirudh Ramesh는 현재 광자 양자 컴퓨터 스타트업 PsiQuantum에 있으며, Ðorđe Gluhović와 Sidney Buchbinder는 Ayar Labs에 합류했습니다. Imbert Wang은 Aurora에, Daniel Kramnik은 Google X에 있으며 실리콘 포토닉스 스타트업을 추진하고 있습니다. 이러한 발전 과정은 오늘날의 AI 컴퓨팅 인프라 확장과 장기적으로 확장 가능한 칩 기반 양자 시스템 구축이라는 두 가지 측면에서 실리콘 포토닉스의 성장 동력을 보여줍니다.
참고문헌: Danielius Kramnik, Imbert Wang, Anirudh Ramesh, Josep M. Fargas Cabanillas, Ðorđe Gluhović, Sidney Buchbinder, Panagiotis Zarkos, Christos Adamopoulos, Prem Kumar, Vladimir M. Stojanović, Miloš A. Popović 공저, "CMOS 칩에서 양자 광원의 확장 가능한 피드백 안정화", 2025년 7월 14일, Nature Electronics .
DOI: 10.1038/s41928-025-01410-5
이 연구는 미국 국립과학재단(NSF)의 미래반도체(FuSe) 프로그램을 포함한 여러 기관의 지원을 받았으며, 패커드 과학공학 펠로우십(Packard Fellowship for Science and Engineering), 그리고 캐털리스트 재단(Catalyst Foundation)의 지원을 받았습니다. 칩 제조는 아야르 랩스(Ayar Labs)와 글로벌파운드리(GlobalFoundries)의 지원을 받았습니다.
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