Czujniki kwantowe zapewniają  znacznie większą czułość, w porównaniu do swoich klasycznych odpowiedników, a nawet umożliwiają zupełnie nowe możliwości wykrywania. Wiele branż może skorzystać na innowacjach w zakresie czujników kwantowych, w tym zegary atomowe, magnetometry kwantowe, żyroskopy kwantowe itp.

Przeniesienie czujników kwantowych z prototypu laboratoryjnego do produktu komercyjnego wymaga jednak optymalizacji ich rozmiaru, wagi, mocy i kosztów (w skrócie SWaP-C – size, weight, power, and cost). Jak zbadano w niedawnym raporcie IDTechEx „Rynek czujników kwantowych 2025-2045: technologia, trendy, gracze, prognozy”, najskuteczniejszym podejściem do osiągnięcia tego celu jest wytwarzanie jak największej części czujnika w wysoce skalowalnych procesach produkcji półprzewodników.

Możliwości wytwarzania półprzewodników w produkcji specjalistycznych komponentów w typowym zegarze atomowym lub innym czujniku kwantowym opartym na interferometrii atomowej. Źródło: IDTechEx

Komórki spektroskopowe sercem wielu czujników kwantowych

Szklane komórki spektroskopowe (parowe) umożliwiają laserom interakcję z zamkniętą próbką gazu atomowego. Są sercem czujników kwantowych wykorzystujących interferometrię atomową. Należą do nich wczesne czujniki kwantowe RF, akcelerometry i żyroskopy, ale także bardziej rozwinięte zegary atomowe wielkości chipu oraz OPM (magnetometry pompowane optycznie). Skalowalna produkcja komórek spektroskopowych ma kluczowe znaczenie dla masowej produkcji czujników kwantowych.

Dmuchanie szkła jest konwencjonalną techniką wytwarzania komórek spektroskopowych. Technika ta może być stosowana do mikrowytwarzania sferycznych komórek spektroskopowych, których zakrzywione powierzchnie rozpraszają wpadające światło i istnieje ograniczenie co do ich minimalnej wielkości.

Opracowana została również inna technika produkcji komórek spektroskopowych w procesach produkcji półprzewodników. Mamy w tym przypadku do czynienia z potencjałem pozwalającym na produkcję masową. Wytwarzane tak ogniwa można porównać z typowymi płytkami półprzewodnikowymi. Uzyskuje się regularne komórki spektroskopowe do czujników kwantowych. Proces obejmuje wytrawianie każdej wnęki ogniwa w płytce szklanej, która jest następnie wypełniana określonymi atomami przed połączeniem z inną powierzchnią szklaną w celu uzyskania hermetycznego uszczelnienia. Ta dziedzina jest bogata w innowacje, w tym stosowanie alternatywnych szkieł, różnych technik wytrawiania i łączenia oraz ochronnych lub wzmacniających właściwości powłok cienkowarstwowych.

Postęp w technologii laserowej ma kluczowe znaczenie dla czujników kwantowych

Jednym z najczęściej używanych komponentów w czujnikach kwantowych są lasery. Spójne, wąskopasmowe światło jest niezbędne do manipulowania stanami atomowymi i centrami azotu-wakantu w diamencie. Jednak utrzymanie stabilności i mocy przy wymaganych długościach fal przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru i kosztów laserów jest niezwykle trudne. Innowacje w technologii laserowej mają wpływ na branże wykraczające poza technologię kwantową, w tym telekomunikację, urządzenia medyczne, LiDAR i wiele innych.

Lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) to rodzaj półprzewodnikowych diod laserowych, które można produkować masowo, w podobnej skali do produkcji płytek półprzewodnikowych. W przeciwieństwie do konwencjonalnych laserów półprzewodnikowych o emisji krawędziowej, VCSEL emitują wiązkę prostopadle do swojej górnej powierzchni, bezpośrednio z układu scalonego. Oprócz zalet w produkcji i testowaniu, umożliwia to budowę czujników kwantowych w skali układu scalonego, umożliwiając układanie innych komponentów bezpośrednio na powierzchni lasera VCSEL.

Lasery VECEK zostały opracowane pod koniec lat 70. Pod koniec lat 2010. zostały wprowadzone do smartfonów. Wzrasta również ich zastosowanie w samochodowych kamerach na podczerwień, a także rośnie ich rola w połączeniach między centrami danych. Oznacza to, że popyt na VCSEL zwiększył się w ostatnich latach. Powszechność w innych zastosowaniach bezpośrednio przynosi korzyści technologiom obrazowania kwantowego, takim jak gazowy LiDAR, które również wymagają kompaktowych źródeł skupionego światła SWIR (900 nm…1550 nm).

Jednakże lasery VCSEL dla atomowych czujników kwantowych mają nieco inne wymagania. Długości fal potrzebne do kontrolowania odpowiednich przejść atomowych zwykle mieszczą się w zakresie 700 nm…900 nm, a często potrzebna jest wąska szerokość linii o wysokiej stabilności wobec zmian środowiskowych.

Mimo to, dzięki wykorzystaniu VCSEL i mikrofabrykowanych komórek spektroskopowych, zegary atomowe w skali mikrofalowego układu scalonego odniosły już sukces w masowej produkcji. W miarę dojrzewania rynku czujników kwantowych, diody laserowe w skali układu scalonego, takie jak VCSEL, będą niezbędne do umożliwienia budowy żyroskopów kwantowych w skali układu scalonego, akcelerometrów i zegarów atomowych nowej generacji.

Firmy, takie jak TRUMPF, a także spin-outy, takie jak III-V Epi i ICS (Integrated Compound Semiconductors), opracowały lasery VCSEL specjalnie na rynek czujników kwantowych. Połączenie możliwości głównych fabryk półprzewodników z innowacjami w technologii laserowej będzie kluczowe dla komercjalizacji czujników kwantowych.

Problem jajka i kury

Specjalistyczne komponenty czujników kwantowych, a szerzej technologii kwantowych, napotykają na powtarzający się problem: wysokie koszty produkcji ograniczają rynek docelowy produktów końcowych, co z kolei ogranicza skalowanie produkcji w celu obniżenia kosztów.

Technologie kwantowe, które niedawno wydzieliły się z badań, często polegają na produkcji małych partii specjalistycznych komponentów, wykonywanej wewnętrznie lub w lokalnym ośrodku badawczym. Korzystanie z tańszych, istniejących komponentów często nie jest opcją ze względu na poziom precyzji wymagany do sterowania wysoce czułymi systemami kwantowymi.

Największą przeszkodą w produkcji komórek spektroskopowych jest osiągnięcie wielkości wytwarzania wymaganej do uzasadnienia ich masowej produkcji. Koszty produkcji małych partii tego złożonego, wieloetapowego procesu są obecnie wysokie, a komórki spektroskopowe mają stosunkowo niszowe zastosowania wykraczające poza czujniki kwantowe.

Aby temu zaradzić, uruchamiane są inicjatywy łączące przemysł i środowisko akademickie w celu wsparcia rozwoju produkcji półprzewodników dla powstających technologii kwantowych. Centralizacja zakładów produkcyjnych w wyspecjalizowanych jednostkach zapewnia bardziej wydajne rozwiązanie, a wspieranie dialogu w branży kwantowej może zmniejszyć ilość zasobów przeznaczanych na wewnętrzny rozwój komponentów. Zapewni to szybszą drogę do skalowalnej produkcji.

Perspektywy rynkowe i przyszłość

Miniaturyzacja zegarów atomowych na skalę chipów została już osiągnięta dzięki innowacjom w produkcji komórek spektroskopowych i VCSEL. Na przykład Microchip od 2011 roku wprowadził na rynek mikrofalowe zegary atomowe na skalę chipów (cezowe i rubidowe). Komponenty te, zapewniają plan dla innych czujników kwantowych umożliwiający przejście do produkcji masowej.

Patrząc w przyszłość, wytwórnie półprzewodników mają szansę stać się kluczowymi graczami w łańcuchu wartości czujników kwantowych. Inwestowanie teraz w obniżenie kosztów produkcji czujników kwantowych może w niedalekiej przyszłości odblokować większe dostępne rynki. Będą się one pojawiały w wyniku popytu na lepsze rozwiązania w zakresie czujników, w tym pomiaru czasu, wykrywania pola magnetycznego i wykrywania bezwładności, co można osiągnąć za pomocą czujników kwantowych.

Autor: Noah El Alami, analityk ds. technologii w IDTechEx

Źródło: IDTechEx