كاشف الفوتون ذو الأسلاك النانوية فائق التوصيل يمكنه تمكين الاتصالات الكمومية عالية السرعة
يتكون الكاشف الجديد من 32 سلكًا نانويًا فائق التوصيل لنتريد النيوبيوم على شريحة سيليكون، مما يتيح معدلات عد عالية بدقة عالية. الائتمان: رايان لانوم ، مختبر الدفع النفاث- معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا / ناسا
يستخدم الباحثون تصميمًا فائق التوصيل من الأسلاك النانوية لعد الفوتون بسرعة ودقة.
طور باحثون كاشفًا جديدًا يمكنه قياس فوتونات مفردة بدقة بمعدلات عالية جدًا. يمكن للجهاز الجديد أن يساعد في جعل الاتصال الكمي عالي السرعة عمليًا.
يستخدم الاتصال الكمي الضوء على مستوى الفوتون الفردي لإرسال المعلومات الكمومية المشفرة مثل مفاتيح التشفير في توزيع المفاتيح الكمومية.
بسبب قوانين الفيزياء، فإن البيانات المنقولة بهذه الطريقة مضمونة لتبقى آمنة. يتطلب إرسال المعلومات بسرعات أعلى وجود كاشف فوتون واحد لا يمكنه فقط اكتشاف الفوتونات بسرعة ولكن أيضًا قياس أوقات وصولها بدقة.
في Optica ، مجلة Optica Publishing Group للأبحاث عالية التأثير، يصف الباحثون بقيادة Matthew D. الكميات الضوئية).
قال عضو فريق البحث Ioana Craiciu ، وهو باحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه: “يتكون كاشفنا الجديد من 32 سلكًا نانويًا فائق الموصلية لنتريد النيتريد على شريحة سيليكون، مما يتيح معدلات عد عالية بدقة عالية”.
“تم تصميم الكاشف مع وضع الاتصال الكمي في الاعتبار، لأن هذا مجال تكنولوجي تم تقييده بسبب أداء أجهزة الكشف المتاحة.”
ماثيو شو، رئيس فريق البحث، يتفقد كاشف PEACOQ المركب داخل ناظم كريوستات للاختبار. الائتمان: رايان لانوم ، مختبر الدفع النفاث- معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا / ناسا
تم تطوير الكاشف كجزء من برنامج ناسا لتمكين التكنولوجيا الجديدة للاتصالات الكمومية من الفضاء إلى الأرض، والتي يمكن أن تسمح بمشاركة المعلومات الكمية عبر المسافات العابرة للقارات في المستقبل.
يعتمد هذا العمل على التكنولوجيا التي تم تطويرها لمشروع NASA Deep Space Optical Communication ، والذي سيكون أول عرض للتواصل البصري في الفضاء الحر من الفضاء بين الكواكب.
قال كرايسيو: “لا يوجد حاليًا كاشف آخر يمكنه عد الفوتونات المفردة بهذه السرعة بنفس دقة التوقيت”.
نحن نعلم أن هذا الكاشف سيكون مفيدًا للتواصل الكمي، ولكننا نأمل أيضًا أن يتمكن من تمكين التطبيقات الأخرى التي لم نفكر فيها.”
اتصال كمي أسرع
يتطلب تسريع معدلات نقل الاتصالات الكمومية وجود كاشف على الطرف المستقبل يمكنه إجراء قياسات سريعة ويعرض وقتًا ميتًا قصيرًا بحيث يمكنه التعامل مع معدل عالٍ من وصول الفوتونات.
يجب على الكاشف أيضًا قياس وقت وصول الفوتونات بدقة.
قال كرايسيو: “على الرغم من وجود كواشف يمكنها قياس أوقات وصول الفوتونات بدقة عالية، إلا أنها تكافح من أجل مواكبة وصول الفوتونات في تتابع سريع ويمكن أن تفوت بعض الفوتونات أو تخطئ في أوقات وصولها”.
لقد صممنا كاشف PEACOQ ليقيس بدقة أوقات وصول الفوتونات المفردة حتى أثناء اصطدامها بالكاشف بمعدل مرتفع. كما أنها فعالة – فهي لا تفوت الكثير من الفوتونات “.
يتكون كاشف PEACOQ من أسلاك نانوية بسمك 7.5 نانومتر فقط، أو أرق بحوالي 10000 مرة من شعرة الإنسان.
إن تشغيله في درجات حرارة شديدة البرودة – حوالي 1 كلفن، أو -458 درجة فهرنهايت – يجعل الأسلاك النانوية فائقة التوصيل، مما يعني أنها لا تتمتع بمقاومة كهربائية.
في ظل ظروف التوصيل الفائق، فإن أي فوتون يصطدم بسلك لديه فرصة جيدة لامتصاصه بواسطة هذا السلك. تخلق أي فوتونات ممتصة بقعة ساخنة تزيد من المقاومة الكهربائية للسلك بطريقة يمكن اكتشافها.
يتم استخدام الكمبيوتر مع محول الوقت إلى رقمي لتسجيل وقت تغير المقاومة وبالتالي عند وصول الفوتون إلى الكاشف.
“عندما يقيس الكاشف الفوتون، فإنه يخرج نبضًا كهربائيًا، ويقيس المحول الزمني إلى رقمي وقت وصول هذه النبضة الكهربائية بدقة شديدة، بدقة أقل من 100 بيكو ثانية أو 70 مليون مرة أسرع من نقر الأصابع قال كريسيو. “لقد طورنا محولًا جديدًا للوقت إلى رقمي يمكنه قياس ما يصل إلى 128 قناة في وقت واحد باستخدام دقة التوقيت هذه، وهو أمر مهم لأن كاشفنا يحتاج إلى 32 قناة.”
لإثبات الكاشف الجديد، قام الباحثون بتبريده إلى 1 كلفن عن طريق تثبيته في ناظم البرد.
استخدموا إعداد اختبار مصمم خصيصًا لإرسال الضوء إلى كاشف البرد وسلسلة من الإلكترونيات لنقل إشارة خرج الكاشف من البرد، وتضخيمها وتسجيلها. نظرًا لوجود 32 سلكًا نانويًا ، كان على الباحثين استخدام 32 مجموعة من كل مكون، بما في ذلك 32 كابلًا و32 من كل نوع من مكبرات الصوت.
معدلات عد غير مسبوقة
قال كرايسيو: “لقد كنا سعداء جدًا بمدى جودة عمل الكاشف”. “كان المعدل الذي يمكن به قياس الفوتونات هو الأعلى الذي شهدناه.
يتطلب إعدادًا معقدًا لأن كل سلك من الأسلاك النانوية البالغ عددها 32 تتم قراءته على حدة، ولكن بالنسبة للتطبيقات التي تحتاج فيها حقًا إلى قياس الفوتونات بمعدل عالٍ وبدقة عالية، فإن الأمر يستحق العناء “.
عادةً ما يتم ضبط المعلومات الكمومية التي يتم إرسالها على ساعة، مع كل جزء من المعلومات المشفرة في فوتون واحد وإرسالها على علامة.
تحدد مدى دقة قياس وقت وصول الفوتونات إلى جهاز الاستقبال مدى قرب القراد من بعضها دون ارتكاب أي خطأ، وبالتالي فهي تحدد مدى سرعة إرسال المعلومات. يجعل الكاشف الجديد من العملي إجراء الاتصالات الكمومية بتردد ساعة حديث يبلغ 10 جيجاهرتز.
لا يزال الباحثون يعملون على إجراء تحسينات على كاشف PEACOQ، والذي يتميز حاليًا بكفاءته بنسبة 80٪ – مما يعني أن 20٪ من الفوتونات التي تصطدم بالكاشف لم يتم قياسها.
كما يخططون لبناء وحدة استقبال محمولة يمكن استخدامها في تجارب الاتصالات الكمومية. سيحتوي على العديد من أجهزة الكشف عن PEACOQ جنبًا إلى جنب مع البصريات وإلكترونيات القراءة و cryostat.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
