اختراق الكم: طريقة جديدة لتوليد فوتون واحد على رقاقة
ابتكر Moody Lab نهجًا جديدًا لتوليد فوتونات مفردة على شريحة.
يستمر الضجيج المحيط بمستقبل التكنولوجيا الكمومية في التصعيد حيث يسعى الباحثون جاهدين لتسخير إمكانات الجسيمات الكمومية فائقة التوضيع والتشابك والنفق.
تتمتع هذه الجسيمات بقدرة فريدة على الوجود في حالتين في وقت واحد، مما يمكن أن يعزز بشكل كبير القوة والكفاءة في العديد من التطبيقات.
وفقا لكاميار بارتو ، دكتوراه. طالب في جامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا والمؤلف الرئيسي المشارك لورقة بحثية نُشرت في Nano Letters ، فإن الحالة الحالية للأجهزة الكمومية “تدور حول مكان الكمبيوتر في الخمسينيات من القرن الماضي”، أو في بداية تطوره.
يعمل Parto في مختبر Galan Moody ، وهو خبير مشهور في الضوئيات الكمومية وأستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر.
تقدم الورقة بالتفصيل اختراقًا مهمًا في هذا المجال – إنشاء “مصنع” على الرقاقة لتوليد تدفق ثابت وسريع للفوتونات المفردة، والتي تعد ضرورية لتقدم تقنيات الكم القائمة على الفوتونات.
أوضح بارتو أنه في المراحل الأولى من تطوير الكمبيوتر، “كان الباحثون قد صنعوا للتو الترانزستور، وكانت لديهم أفكار حول كيفية عمل مفتاح رقمي، لكن النظام الأساسي كان ضعيفًا نوعًا ما.
طورت المجموعات المختلفة منصات مختلفة، وفي النهاية، تقارب الجميع على CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية). ثم حدث انفجار ضخم حول أشباه الموصلات.
“تكنولوجيا الكم في مكان مماثل – لدينا فكرة وإحساس بما يمكننا فعله بها، وهناك العديد من المنصات المتنافسة، ولكن لا يوجد فائز واضح حتى الآن،” تابع. “
لديك كيوبتات فائقة التوصيل، كيوبتات تدور في السيليكون، كيوبتات دوران إلكتروستاتيكية ، وأجهزة كمبيوتر كمومية تعتمد على مصيدة الأيونات. تحاول Microsoft عمل كيوبتات محمية طوبولوجيًا، وفي Moody Lab ، نحن نعمل على الضوئيات الكمومية “.
يتوقع Parto أن تكون المنصة الفائزة عبارة عن مزيج من المنصات المختلفة، نظرًا لأن كل منها قوي ولكن له أيضًا قيود.
قال: “على سبيل المثال، من السهل جدًا نقل المعلومات باستخدام الضوئيات الكمومية، لأن الضوء يحب أن يتحرك”. “
ومع ذلك، فإن الكيوبت الدوراني يجعل من السهل تخزين المعلومات والقيام ببعض” الأشياء “المحلية عليها، لكن لا يمكنك نقل هذه البيانات.
لذا، لماذا لا نحاول استخدام الضوئيات لنقل البيانات من النظام الأساسي الذي يخزنها بشكل أفضل، ثم نحولها مرة أخرى إلى تنسيق آخر بمجرد وجودها؟ “
الكيوبيتس ، تلك المحركات التي تتصرف بشكل غريب لتقنيات الكم، تختلف بالطبع عن الفتات الكلاسيكية، التي يمكن أن توجد فقط في حالة واحدة من الصفر أو حالة واحدة.
يمكن أن تكون Qubits واحدًا وصفرًا في نفس الوقت. قال بارتو إنه في عالم الضوئيات، يمكن جعل فوتون واحد موجودًا (ذكر واحدًا) وليس موجودًا (الحالة صفر).
وذلك لأن الفوتون الفردي يشكل ما يسمى بالنظام ذي المستويين، مما يعني أنه يمكن أن يوجد في حالة صفر، أو حالة واحدة، أو أي مجموعة، مثل 50٪ واحد و50٪ صفر، أو ربما 80٪ واحد و20٪ صفر.
يمكن القيام بذلك بشكل روتيني في مجموعة Moody. يتمثل التحدي في توليد فوتونات مفردة وجمعها بكفاءة عالية جدًا، مثل توجيهها على شريحة باستخدام أدلة الموجات.
تقوم موجهات الموجات بعمل ما يوحي به اسمها بالضبط، حيث تقوم بتوجيه الضوء إلى حيث يحتاج إلى الانتقال، تمامًا مثل توجيه الأسلاك للكهرباء.
أوضح بارتو: “إذا وضعنا هذه الفوتونات المنفردة في العديد من الأدلة الموجية المختلفة – ألف فوتون منفرد على كل دليل موجي – وقمنا نوعًا ما برسم كيفية انتقال الفوتونات على طول موجهات الموجات على الرقاقة، يمكننا إجراء حساب كمي.”
في حين أنه من السهل نسبيًا استخدام موجهات الموجات لتوجيه الفوتونات على الرقاقة، فإن عزل فوتون واحد ليس بالأمر السهل، وإعداد نظام ينتج المليارات منها بسرعة وكفاءة أصعب بكثير.
تصف الورقة الجديدة تقنية تستخدم ظاهرة غريبة لتوليد فوتونات مفردة بكفاءة أكبر بكثير مما تم تحقيقه سابقًا.
قال بارتو: “يتعلق العمل بتضخيم توليد هذه الفوتونات المفردة حتى تصبح مفيدة للتطبيقات الفعلية”.
“الاختراق الموصوف في هذه الورقة هو أنه يمكننا الآن توليد الفوتونات المفردة بشكل موثوق في درجة حرارة الغرفة بطريقة تفسح المجال (لعملية الإنتاج الضخم لـ) CMOS.”
هناك طرق مختلفة لتوليد فوتونات مفردة، لكن بارتو وزملاؤه يفعلون ذلك باستخدام عيوب في بعض مواد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد (2D)، والتي لا يتجاوز سمكها ذرة واحدة، مما يؤدي بشكل أساسي إلى إزالة جزء من المادة لإنشاء خلل.
قال بارتو: “إذا سلّطت الضوء (المتولد بواسطة الليزر) على النوع الصحيح من الخلل، فستستجيب المادة بإصدار فوتونات مفردة”، مضيفًا: “يعمل الخلل في المادة كما يسمى حالة تحديد المعدل، مما يسمح لها بالتصرف كمصنع لطرد فوتونات مفردة، واحدًا تلو الآخر.
” قد يتم إنتاج فوتون واحد كل ثلاث إلى خمس نانو ثانية، لكن الباحثين ليسوا متأكدين بعد من المعدل، وبارتو ، الذي حصل على درجة الدكتوراه. حول موضوع هندسة مثل هذه العيوب، يقول إن المعدل الحالي يمكن أن يكون أبطأ بكثير.
الميزة الكبيرة للمواد ثنائية الأبعاد هي أنها تصلح لوجود عيوب هندسية فيها في مواقع محددة.
علاوة على ذلك، قال بارتو: “المواد رقيقة جدًا بحيث يمكنك التقاطها ووضعها على أي مادة أخرى دون التقيد بهندسة شبكية لمادة بلورية ثلاثية الأبعاد. وهذا يجعل من السهل جدًا دمج المادة ثنائية الأبعاد، وهي قدرة نعرضها في هذه الورقة “.
لصنع جهاز مفيد، يجب وضع الخلل الموجود في المادة ثنائية الأبعاد في موجهات الموجات بدقة متناهية.
أشار بارتو إلى أن “هناك نقطة واحدة على المادة التي تنتج الضوء من عيب، ونحن بحاجة إلى تحويل هذا الفوتون الفردي إلى دليل موجي.”
يحاول الباحثون القيام بذلك بطريقتين، على سبيل المثال، عن طريق وضع المادة على الدليل الموجي ثم البحث عن عيب واحد موجود، ولكن حتى إذا كان العيب محاذيًا بدقة وفي الموضع الصحيح تمامًا، فإن كفاءة الاستخراج ستكون فقط 20٪ إلى 30٪.
وذلك لأن العيب الفردي يمكن أن ينبعث فقط بمعدل واحد محدد، وينبعث بعض الضوء بزوايا مائلة، وليس مباشرة على طول المسار إلى الدليل الموجي. الحد الأعلى النظري لهذا التصميم هو 40٪ فقط، لكن صنع جهاز مفيد لتطبيقات المعلومات الكمومية يتطلب كفاءة استخراج 99.99٪.
وأوضح بارتو أن “الضوء المنبعث من العيب يضيء بطبيعته في كل مكان، لكننا نفضل أن يتألق في هذه الأدلة الموجية”. “لدينا خياران.
إذا وضعت موجهات الموجات فوق العيب، فربما ينتقل من عشرة إلى خمسة عشر بالمائة من الضوء إلى موجهات الموجات. هذا لا يكفي. ولكن هناك ظاهرة فيزيائية، تسمى تأثير بورسيل ، يمكننا استخدامها لتعزيز هذه الكفاءة وتوجيه المزيد من الضوء إلى الدليل الموجي.
يمكنك القيام بذلك عن طريق وضع العيب داخل تجويف بصري – في حالتنا، يكون على شكل مرنان ذو حلقة دقيقة، وهو أحد التجاويف الوحيدة التي تسمح لك بربط الضوء داخل وخارج الدليل الموجي.
وأضاف: “إذا كان التجويف صغيرًا بدرجة كافية، فسيضغط على تقلبات الفراغ في المجال الكهرومغناطيسي، وهذه التقلبات هي التي تسبب الانبعاث التلقائي للفوتونات من العيب إلى نمط من الضوء.
من خلال الضغط على هذا التذبذب الكمي في تجويف ذي حجم محدود، يزداد التذبذب على الخلل، مما يؤدي إلى إصدار الضوء بشكل تفضيلي إلى الحلقة، حيث يتسارع ويصبح أكثر إشراقًا، وبالتالي زيادة كفاءة الاستخراج. “
في التجارب باستخدام مرنان الحلقة الدقيقة التي تم إجراؤها لهذه الورقة، حقق الفريق كفاءة استخراج بنسبة 46٪، وهي زيادة في الحجم مقارنة بالتقارير السابقة.
قال مودي: “لقد شجعتنا هذه النتائج حقًا لأن بواعث الفوتون الفردي في المواد ثنائية الأبعاد تعالج بعض التحديات البارزة التي تواجه المواد الأخرى من حيث قابلية التوسع وقابلية التصنيع”. “
على المدى القريب، سوف نستكشف استخدامها في عدد قليل من التطبيقات المختلفة في الاتصالات الكمومية، ولكن على المدى الطويل، هدفنا هو الاستمرار في تطوير هذا النظام الأساسي للحوسبة الكمية والشبكات.”
للقيام بذلك، تحتاج المجموعة إلى تحسين كفاءتها إلى أفضل من 99٪، وسيتطلب تحقيق ذلك حلقات رنان نيتريد عالية الجودة.
وأوضح بارتو: “لتعزيز الكفاءة، تحتاج إلى تنعيم الحلقة عندما تقوم بنحتها من فيلم نيتريد السيليكون”. “ومع ذلك، إذا لم تكن المادة نفسها متبلورة تمامًا، حتى إذا حاولت تنعيمها على المستوى الذري، فقد تبدو الأسطح خشنة وشبيهة بالإسفنج، مما يتسبب في تشتت الضوء منها.”
في حين أن بعض المجموعات تحقق أعلى جودة من النيتريد من خلال شرائه من الشركات التي تقوم بتطويره بشكل مثالي، أوضح بارتو ، “علينا أن ننميها بأنفسنا، لأنه يتعين علينا وضع العيب تحت المادة، كما أننا نستخدم عنصرًا خاصًا نوع من نيتريد السيليكون يقلل من ضوء الخلفية لتطبيقات الفوتون الواحد، والشركات لا تفعل ذلك “.
يستطيع Parto أن ينمي نيتريده في فرن ترسيب بخار كيميائي معزز بالبلازما في غرفة الأبحاث في جامعة كاليفورنيا، ولكن نظرًا لأنه مرفق مشترك بكثرة، فإنه غير قادر على تخصيص بعض الإعدادات التي من شأنها أن تسمح له بزراعة مواد ذات جودة كافية.
الخطة، كما يقول، هي استخدام هذه النتائج للتقدم بطلب للحصول على منح جديدة من شأنها أن تجعل من الممكن “الحصول على أدواتنا الخاصة وتوظيف الطلاب للقيام بهذا العمل.”
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
