TU Berlin otevírá cestu k sériové výrobě kvantových čipů

Schématické znázornění škálovatelné platformy z kvantových zdrojů světla, na které jsou integrovány přesně umístěné kvantové body v nanorezonátorech.

Prof. Dr. Reitzenstein před komorou vzorků zařízení pro elektronovou litografii, které vyrábí vysoce přesné nanostruktury pro škálovatelné kvantové zdroje světla příští generace.

Optické kvantové čipy jsou považovány za klíčové stavební kameny budoucích komunikačních a počítačových technologií. Jejich výroba však dosud byla náročná, protože zdroje jednotlivých částic světla – takzvané polovodičové kvantové body – vznikaly náhodně na čipu a nejprve je bylo nutné složitě lokalizovat. Výzkumníci z Technické univerzity v Berlíně nyní vyvinuli řešení tohoto problému: Pomocí kontrolovaně integrovanych „stresorů“ do substrátu mohou přesně vytvářet napětí v materiálu na povrchu tak, že umělá atomová jádra ve formě polovodičových kvantových bodů rostou cíleně na požadovaných místech. Tím vytvářejí základ pro škálovatelnou a průmyslově kompatibilní výrobu optických kvantových čipů.

Práce vznikly pod vedením prof. Stephana Reitzensteina v pracovní skupině „Optoelektronika a kvantové prvky“ na Ústavu fyziky a astronomie TU Berlín ve spolupráci s výzkumníky z Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Vědci vyvinuli novou architekturu kvantového čipu, při níž jsou takzvané kvantové body – nanoskopicky malé polovodičové struktury pro tvorbu jednotlivých částic světla – přesně integrovány na předem stanovené pozice na čipu. Výsledky byly publikovány v odborném časopise Light: Science & Applications.

Od náhody k cílené výrobě

Kvantové body jsou považovány za slibné zdroje jednotlivých částic světla (fotony). Takové částice jsou důležitým základem pro budoucí aplikace, jako je odposlechově bezpečná kvantová komunikace, kvantové sítě, kvantová senzoring nebo fotonové kvantové počítače. Dosud však vznikal hlavní problém již při výrobě: kvantové body se během růstu vytvářely náhodně na polovodičovém materiálu. Výzkumníci proto museli nejprve složitě identifikovat vhodné kvantové body, než mohli kolem nich vyrábět potřebné fotonické struktury. „Pro jednotlivé demonstrační zařízení bylo toto přístup velmi úspěšný. Pokud však chceme vyrábět mnoho kvantových zdrojů světla srovnatelné kvality na jednom čipu, stává se náhodná poloha kvantových bodů hlavní překážkou,“ vysvětluje Kartik Gaur, který vyvíjel kvantové prvky v rámci své doktorské práce. „Náš přístup již přesouvá tento krok do fáze růstu krystalu: kvantové body vznikají tam, kde jsou později potřeba v fotonickém prvku.“

Pracovní skupina prof. Reitzensteina tak vyvinula metodu, která již během růstu krystalu určuje polohu kvantových bodů. To umožňuje speciální vrstva skrytá v substrátu čipu, která velmi přesně vytváří napětí v materiálu a tím cíleně řídí růst kvantových bodů. Následně jsou kvantové body přímo integrovány do nanofotonických rezonátorů, které shromažďují vyrobené světlo s vysokou účinností a zpřístupňují je pro kvantové technologie.

Vysoká výtěžnost a reprodukovatelná kvalita

S novou metodou výzkumníci vyrobili 6x6 mřížku z 36 zdrojů kvantového světla, přičemž všechny prvky byly funkční. Dosáhli tak vynikající reprodukovatelnosti, která v polovodičové kvantové fotonice dosud byla vzácná. „Skutečný význam této práce nespočívá pouze ve vysoké výtěžnosti prvků,“ říká Reitzenstein. „Důležité je, že ukazujeme, jak lze realizovat výkonné zdroje kvantového světla s kontrolovatelnou kvalitou a vysokou reprodukovatelností na polovodičovém čipu. Tím řešíme klíčovou výzvu kvantové fotoniky: přechod od individuálně optimalizovaných laboratorních demonstračních zařízení k škálovatelným, technologicky využitelným platformám pro budoucí kvantové systémy.“

Základy pro další generaci kvantových čipů

Kromě toho tým výzkumníků podrobně zkoumal, jak malé odchylky v umístění kvantových bodů ovlivňují výkon prvků. K tomu kombinovali různé zobrazovací, spektroskopické a kvantově optické metody s numerickými simulacemi. Teoretické práce provedla pracovní skupina prof. Christophera Giese na Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Modelování vysvětluje, jak přesná poloha kvantových bodů ovlivňuje vlastnosti vytvářených částic světla a poskytuje důležité pokyny pro vývoj budoucích kvantových čipů.

Prokázána vysoká kvalita zdrojů kvantového světla

Výkonnost zdrojů kvantového světla mohla být rovněž kvantitativně ověřena. U nejlepších prvků se podařilo téměř polovinu vyrobených částic světla odpojit od čipu pro další použití – což je velmi dobrá hodnota. Současně byla kvantově mechanická „čistota“ jednotlivých částic světla přes 99 procent. Navíc vyrobené částice světla měly téměř identické kvantově optické vlastnosti. To je důležitý předpoklad pro budoucí fotonové kvantové počítače a kvantové sítě, protože zde musí mnoho částic světla vzájemně přesně interagovat stejným způsobem.

Další informace:

Škálovatelná kvantová fotonická platforma založená na řízených kvantových bodech spojených s cirkulárními Braggovými rezonátory, Kartik Gaur, Avijit Barua, Sarthak Tripathi, Léo J. Roche, Steffen Wilksen, Alexander Steinhoff, Sam Baraz, Neha Nitin, Chirag C. Palekar, Aris Koulas-Simos, Imad Limame, Priyabrata Mudi, Sven Rodt, Christopher Gies & Stephan Reitzenstein

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02343-0