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《Nature Electronics：美国加州大学伯克利分校等在CMOS芯片上实现可扩展量子光源反馈稳定技术》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 发布时间：2025-07-15

  • 美国加州大学伯克利分校、波士顿大学和西北大学报道了一种电子-光子量子片上系统。该系统由通过片上反馈控制电路稳定的量子相关光子对源组成，并在商业45 nm CMOS微电子代工厂中制造。研究人员在可调微环腔光子对源中使用非侵入式光电流传感，在量子状态下工作时将其主动锁定到固定波长的泵浦激光器，从而实现基于大规模微环的量子系统。研究表明，这些光源能在热干扰下保持稳定的量子特性，并在实际环境中可靠运行，实现大规模量子系统集成。电子和光子学的这种密集集成使得能够以所需的规模实现和控制量子光子系统，从而利用CMOS制造的芯片实现有用的量子信息处理。

    论文下载链接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01410-5

  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01410-5
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  • 《美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员推出了一种将量子传感与微流体相结合的新型化学检测系统》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-12-20
    • 近日，美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员将量子传感和液滴微流体相结合，开发了一种高灵敏度的化学检测系统，该系统可以应用到从生物工程到环境监测的多种场景。 这项研究介绍了一个平台，该平台使用由纳米金刚石制成的量子传感器以极高的精度检测化学物质。这些含有氮空位（NV）中心的纳米金刚石被封装在微观液滴中，使研究人员能够克服传统化学传感中的关键挑战。这种新颖的方法减少了噪声，实现了长时间的稳定性，并且仅需要极少的样品量。 研究人员在研究中指出：“这项工作取得了重要进展，包括便携式化学测试设备、无需放大的化学分析方法，以及用于探测微环境中反应的化学成像工具。 据该团队称，该系统的主要创新在于它仅需要使用极少量的分析物或测试材料即可进行高精度的化学检测。这项技术未来可能用于开发便携式化学传感器、改进细胞分析工具，并在诊断、生物反应器和环境感测在内的多个领域实现无需放大的化学测试。 该平台还有望用于实时细胞内监测、单细胞分析和化学成像。通过利用量子传感器的高精确性和液滴微流体的多功能性，这项研究为在受限环境中探测化学物质开辟了新的可能性。 例如，研究人员提出，将这项技术与流式细胞术（一种在流体中分析细胞的技术）相结合，可能会彻底改变单细胞代谢组学。通过检测单个细胞内的活性氧种类（ROS），该系统可能以前所未有的细节监测细胞代谢。 量子传感依赖于钻石中的氮空位（NV）中心。这些中心是缺陷，其中两个碳原子被一个氮原子和一个空位所取代。NV中心有特别的用处，因为它们的自旋态（与其磁特性有关）对环境变化高度敏感。这种灵敏度是通过测量NV中心在暴露于微波和激光时发出的光的变化来体现的。 据研究人员称，到目前为止，使用NV中心进行化学传感主要依赖于单晶金刚石，这种金刚石价格昂贵，需要精确对齐，并且与目标分子表面的相互作用有限。相比之下，在这项研究中，该团队采用了纳米金刚石——几纳米大小的微小金刚石颗粒——可以与液体环境中的化学物质产生明显的反应。纳米金刚石因其具有生物惰性，故不会与活体组织或生物发生化学相互作用。它们还具有成本效益，并且可以针对特定应用进行定制。 为了提高性能，研究人员使用了液滴微流体技术，该技术采用一种方法，可以在比人类头发宽度还小的通道中操纵微小的液滴。这些液滴会充当微观反应室，将纳米金刚石和分析物限制在受控条件下。通过控制液滴流经检测系统，研究人员在数千个液滴上实现了稳定、抗噪声的测量。 该系统使用装载纳米金刚石的皮升（picoliter）大小的液滴——约为标准水滴大小的十亿分之一。这些液滴流经微流体装置，在那里它们被绿色激光照射，并受到微波场的影响。 纳米金刚石中的NV中心会发出红色荧光，这种荧光会随着顺磁性离子等化学物质的存在而发生变化。这种光信号可以通过一种称为光学检测磁共振（ODMR）的技术进行检测和分析。 液滴的均匀移动可以消除由于纳米金刚石尺寸、方向差异或其他不一致因素而引起的波动，从而提高了测量精度。研究人员还采用了一种双重调制技术——使用微波和液滴流——将量子信号与背景噪声隔离开来，进一步提高了灵敏度。 该团队写道，在他们的实验中，该团队展示了该系统检测钆离子的能力，钆离子是一种顺磁性分析物，检测限低至100纳摩尔，这一水平以前在如此小的样品量中很难达到。他们还测量了常见活性物质，如TEMPOL（一种常见的ROS化学探针），并达到了低于2微摩尔的检测极限。 科学家们写道，他们的创新为便携式、精确且低成本的下一代化学传感设备铺平了道路。该技术潜在的应用包括： 诊断：针对血液和其他体液中微量化学物质或生物标志物的痕量物质检测。 生物工程：实时监测细胞代谢或生物反应器中的化学反应。 环境监测：可现场部署用于检测水和空气中的污染物或杂质的设备。 单细胞分析：用于研究单个细胞化学成份的工具，并提供对代谢、疾病和药物反应的分析。 将这一平台与流式细胞术等现有技术的集成可以显著扩展其使用方式。研究人员设想了一种“量子增强”版本的流式细胞术，它可以将细胞分析与精确的化学传感相结合。 该平台的当前功能仅限于检测特定分析物，如钆和TEMPOL。未来的研究需要探索更广泛的化学检测范围，并验证该系统在实际应用中的有效性。 研究人员还致力于开发追踪液滴中纳米金刚石的方法，该方法让实时化学成像成为可能。他们还建议提高流体通量 — 这样可以每小时分析数百万个液滴 — 并将该系统集成到紧凑的便携式设备中以供现场使用。 另一个潜在的用途是将纳米金刚石集成到块体磁力计或加速度计等高级应用中。研究人员强调，该平台在持续数小时测量中的稳定性使其成为此类高精度任务的理想选择。 该研究展示了量子技术如何与现有工具相结合以提供实用的解决方案。通过解决传统化学传感的局限性，这种方法为高精度、经济高效且可扩展的检测系统奠定了基础。 该研究由加州大学伯克利分校的Ashok Ajoy和劳伦斯伯克利国家实验室领导，Adrisha Sarkar、Zachary R. Jones、Madhur Parashar、Emanuel Druga、Amala Akkiraju、Sophie Conti、Pranav Krishnamoorthi、Srisai Nachuri、Parker Aman 和 Mohammad Hashemi 等人都参与了研究，他们都隶属于加州大学伯克利分校。Zachary Jones 和 Deepti Tanjore 还与劳伦斯伯克利国家实验室的先进生物燃料和生物制品工艺开发部门有联系。Adamas Nanotechnologies Inc. 的 Nicholas Nunn、Marco D. Torelli 和 Olga A. Shenderova 提供了资源和支持。来自劳伦斯伯克利国家实验室的 Benjamin Gilbert 和 Kevin R. Wilson 也为这项研究做出了贡献。 请阅读《Science Advances》上发表的研究论文（DOI：10.1126/sciadv.adp4033），以便更深入、更全面地从专业技术性的视角了解这项创新性的工作。
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  • 《 CMOS规模化-量子光子芯片》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：胡思思
    • 发布时间：2025-07-16
    • 硅光子技术是目前最具可扩展性的量子光子系统平台，利用互补金属氧化物半导体complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS)的半导体制造技术，有望批量制造，并实现量子信息处理所需的大量物理量子比特，从而使产生和调控光的量子态光学设备微型化。 然而，实际硅量子光子集成电路的发展，面临着与工艺和温度变化的高灵敏度、自由载流子和自热非线性以及热串扰相关的挑战。庞大的片外电子设备，已经部分解决了这些问题，但这牺牲了芯片级平台的许多优势。 今日，加利福尼亚大学伯克利分校Danielius Kramnik，波士顿大学Imbert Wang，西北大学Anirudh Ramesh等，在Nature Electronics上发文，报道了一种电子-光子量子系统芯片，主要由通过芯片反馈控制电路稳定的量子相关光子对源组成，并在商业45-nm CMOS微电子晶圆厂中制造。在可调微环腔光子对源中，利用非侵入式光电流传感器，将其锁定到固定波长的泵浦激光器，同时在量子领域工作，从而实现了基于微环的大规模量子系统。 研究还表明，这些光子源保持稳定的量子特性，并在实际设置中可靠地运行，许多相邻的光子对源，在同一芯片上产生热扰动。电子学和光子学的这种密集集成技术，以用于CMOS制造的芯片，实现量子信息处理所需的规模，进而实现和控制量子光子系统。 该项研究，基于商用45纳米CMOS工艺的电子-光子量子系统芯片，实现了可扩展量子光源的片上稳定。通过创新的非侵入式光电流传感技术，在高Q值硅微环谐振腔内，实时监测光子对生成状态，并利用集成加热器动态调节谐振波长，将12个光子对源锁定至同一泵浦激光波长。 该芯片在-1.2 dBm至-10.4 dBm泵浦功率范围内保持稳定量子特性（g2(0)低至0.021），且能抵抗相邻热扰动（325μm间距热源冲击下仍维持42.0±0.7的CAR值）。这一突破，解决了硅量子光子学中，工艺偏差与热串扰的核心难题，为大规模集成量子处理器奠定基础。 图1:电子-光子量子系统芯片 图2:电子-光子集成电路块的经典表征
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