PIC & Mix: Jak technologia kwantowa rewolucjonizuje branżę fotoniczną

Fotoniczne układy scalone (PIC) to systemy optyczne wytwarzane na płytkach półprzewodnikowych, umożliwiające realizację złożonych procesów optycznych w urządzeniach o rozmiarach chipów. Układy PIC znalazły szerokie zastosowanie, zwłaszcza jako optyczne nadajniki-odbiorniki do szybkiej komunikacji w centrach danych sztucznej inteligencji, gdzie są powszechnie wykorzystywane jako szkielet sieci łączącej serwery w celu szkolenia najbardziej złożonych modeli uczenia maszynowego.

Większość dzisiejszych układów PIC opiera się na krzemie (Si) lub krzemionce (SiO2), ponieważ techniki wytwarzania tych materiałów są najbardziej dopracowane. Jednak krzem i krzemionka mają właściwości, które sprawiają, że są one nieoptymalne, a nawet bezużyteczne w niektórych nowych zastosowaniach w ramach technologii kwantowych. W rezultacie technologia kwantowa jest jedną z pionierskich dziedzin, która napędza zainteresowanie nowymi platformami materiałowymi dla układów PIC. Artykuł opisuje spostrzeżenia zawarte w raporcie IDTechEx „Materiały dla technologii kwantowych”, który prognozuje, że rynek układów PIC dla technologii kwantowej osiągnie wartość 12,6 mld USD do 2046 r.

Dlaczego fotonika jest tak ściśle powiązana z technologią kwantową?

Fotonika to dziedzina technologii zajmująca się generowaniem i manipulowaniem światłem, a badania i zastosowania fotoniki od dawna są ściśle powiązane z najnowocześniejszymi osiągnięciami fizyki eksperymentalnej: wystarczy pomyśleć o laserach, mikroskopach i systemach optycznych, które mogą zajmować całe pomieszczenia w laboratorium.

Technologie kwantowe, obejmujące obliczenia kwantowe, czujniki kwantowe i komunikację kwantową, to gałąź technologii komercyjnej, która w dużej mierze wyrosła z ośrodków badań fizyki eksperymentalnej i uniwersytetów. Jednak w miarę jak technologie kwantowe przechodzą z laboratoriów na rynek, rzeczywiste produkty nie mogą już opierać się na nieporęcznych stołach optycznych i delikatnych systemach złożonych z wielu pojedynczych laserów i soczewek. W tym miejscu pojawia się główna wartość PIC – oferują one drogę dla technologii kwantowych do zmniejszenia ich złożonych systemów optycznych do solidnych i nadających się do masowej produkcji chipów.

Obliczenia za pomocą światła

Na przykład wiele z najbardziej zaawansowanych rozwiązań sprzętowych w dziedzinie informatyki kwantowej opiera się w znacznym stopniu na systemach fotonicznych, w tym na systemach wykorzystujących atomy neutralne, uwięzione jony lub fotoniczne kubity. W komputerach kwantowych wykorzystujących atomy neutralne, takich jak te opracowane przez firmy Infleqtion lub Pasqal, oraz w komputerach z uwięzionymi jonami, budowanych przez IonQ i Quantinuum, stosuje się złożone systemy laserów, falowodów i kamer do manipulowania i pomiaru poszczególnych atomów i jonów – czyli „kubitów” w tych maszynach. Komputery kwantowe oparte na fotonice, opracowane przez PsiQuantum, ORCA Computing i Quandela, idą o krok dalej i wykorzystują fotony (pojedyncze cząstki światła) jako same kubity.

Opracowanie układów PIC do tych zastosowań ma zatem kluczowe znaczenie dla rozwoju obliczeń kwantowych dla tych graczy. W rezultacie, w ciągu ostatnich 2 lat mieliśmy do czynienia z lawiną przejęć firm fotonicznych przez głównych graczy w dziedzinie obliczeń kwantowych. Transakcje te zazwyczaj koncentrują się na dostarczeniu tym drugim wiedzy specjalistycznej i możliwości produkcyjnych, uzupełniając zestaw umiejętności potrzebnych do przekształcenia teorii i eksperymentów w produkt komercyjny.

Wykraczając poza krzem

Krzem i krzemionka (dwutlenek krzemu) są najbardziej dojrzałymi materiałami do produkcji półprzewodników, ale niektóre z ich właściwości słabo odpowiadają wymaganiom technologii kwantowych. Jedną z podstawowych barier jest to, że krzem nie jest przezroczysty w zakresie światła widzialnego, w którym leży wiele częstotliwości ważnych dla technologii kwantowych, takich jak przejścia spinowe atomowe lub w ciałach stałych. Ponadto, w przeciwieństwie do zastosowań w komunikacji danych, w których zazwyczaj priorytetem jest przede wszystkim szybkość i duża moc, technologie kwantowe zazwyczaj kładą większy nacisk na osiągnięcie bardzo niskiego poziomu szumów i wysokiej stabilności, w celu ochrony delikatnych stanów kwantowych.

Źródło: IDTechEx

Te różne wymagania skłoniły podmioty z branży technologii kwantowej do eksperymentowania z materiałami wykraczającymi poza zwykłe platformy oparte na krzemie. Obiecującymi kandydatami o odpowiednich właściwościach są azotek krzemu (SiN), który jest w dużej mierze kompatybilny z istniejącymi procesami opartymi na krzemie, lub cienkowarstwowy niobian litu (TFLN) i tytanian baru (BTO), które mają wysoki współczynnik elektrooptyczny odpowiedni do niezwykle szybkiej modulacji światła. Jednak TFLN i BTO są znacznie mniej dojrzałe komercyjnie niż fotonika krzemowa, ograniczone do mniejszych rozmiarów płytek, wysokich cen i zaledwie kilku zakładów produkcyjnych, które są w stanie pracować z tymi materiałami.

Perspektywy rynkowe dla fotonicznych układów scalonych w technologiach kwantowych

Fotoniczne układy scalone już teraz umożliwiają tworzenie wysokowydajnych aplikacji na rynkach łączności danych, telekomunikacji i LiDAR, jednak to właśnie technologie kwantowe stanowią siłę napędową branży, poszerzającą granice możliwości fotonicznych układów scalonych. Rozwój możliwości i łańcuchów dostaw w celu produkcji wysokiej jakości układów PIC z wykorzystaniem nowych platform materiałowych będzie miał kluczowe znaczenie dla wdrożenia wielu rodzajów technologii kwantowych, w tym obliczeń kwantowych z wykorzystaniem uwięzionych jonów, atomów neutralnych i fotoniki, a także sieci kwantowych i cyberbezpieczeństwa.

Raport z badania rynku „Materiały dla technologii kwantowych 2026–2046: Rynek, trendy, gracze, prognozy” przedstawia kluczowe czynniki, które doprowadzą do powstania wartego wiele miliardów rynku dla układów PIC przeznaczonych do technologii kwantowych do lat 30. XXI wieku. Oprócz szczegółowych prognoz, raport zawiera również szczegółowe informacje na temat benchmarkingu materiałów, łańcuchów wartości oraz studiów przypadków opartych na informacjach pierwotnych zebranych podczas wydarzeń branżowych oraz wywiadów przeprowadzonych przez analityków IDTechEx.