تراشه‌ای که میتواند فوتون‌های کاملا همسان تولید کند!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت هواژونگ، موسسه فناوری کوانتومی ووهان و دانشگاه ژجیانگ موفق به ساخت نسل جدیدی از تراشه‌های فوتونیک کوانتومی شده‌اند که می‌تواند محدودیت‌های تراشه‌های موجود را برطرف کند. این تراشه جدید که نتایج آن در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده، مولکول‌های نورگسیل تک‌فوتونی را با موج‌بر‌های تک‌مد ادغام می‌کند و گامی مهم در مسیر ساخت پردازنده‌های فوتونیک کوانتومی مقیاس‌پذیر به شمار می‌رود.

فوتونیک کوانتومی به دلیل اتکا به ذرات نور برای پردازش و انتقال اطلاعات یکی از امیدبخش‌ترین مسیر‌ها در محاسبات، ارتباطات و شبیه‌سازی سامانه‌های پیچیده است. با این حال ادغام تعداد زیادی منبع تک‌فوتونی پایدار و هم‌فاز روی یک تراشه تاکنون چالشی اساسی بوده است. اغلب تراشه‌های کوانتومی پیشین از گسیلگر‌های حالت‌جامد استفاده می‌کردند که دچار «پراکنش طیفی» می‌شوند و در نتیجه به ندرت به حد گذار‌های محدود به طول‌عمر شرط ضروری برای تولید فوتون‌های کاملاً همسان می‌رسند.

پژوهش جدید نشان می‌دهد که استفاده از مولکول‌های آلی تک‌فوتونی جاسازی‌شده در نانولایه‌های آلی تک‌بلوری می‌تواند این مشکل را برطرف کند. در این تراشه دو مولکول مستقل به‌گونه‌ای در یک نانوساختار آلی قرار گرفته‌اند که فوتون‌های گسیل‌شده از آنها کاملاً همسان بوده و پدیده تداخلی معروف Hong Ou Mandel را نشان می‌دهند؛ اثری که تنها در صورت یکسان بودن فوتون‌ها رخ می‌دهد.

به گفته شو ون چن نویسنده مسئول مقاله این دستاورد نخستین گام مهم برای توسعه یک تراشه مولکولی فوتونیک است که بتواند چندین منبع تک‌فوتونی هم‌فاز را به‌طور هم‌زمان در خود جای دهد. پلتفرم این تراشه ترکیبی از نانولایه‌های آلی، مدار‌های فوتونیک سیلیکون‌نیترید و میکروالکترود‌های فلزی است که امکان ادغام کنترل‌شده مولکول‌های فلورسنت DBT در موج‌بر‌ها را فراهم می‌کند.

یکی از ویژگی‌های کلیدی این سامانه، قابلیت تنظیم الکتریکی هر مولکول است. با اعمال میدان‌های الکتریکی دقیق، پژوهشگران توانستند فرکانس انتقال دو مولکول را در کانال‌های موج‌بر مجزا تنظیم کرده و آنها را از نظر فوتونی یکسان کنند. پس از آن فوتون‌های هر مولکول به یک تقسیم‌کننده پرتو در تراشه هدایت شده و تداخل HOM آنها اندازه‌گیری شد؛ تداخلی که معیار اصلی سنجش میزان همسانی فوتون‌ها است.

پژوهشگران می‌گویند این روش مسیر جدیدی را برای تولید سامانه‌های چندکاناله و مقیاس‌پذیر تک‌فوتونی باز می‌کند و می‌تواند پایه‌گذار نسل آینده پردازنده‌های فوتونیک کوانتومی باشد. آنها اکنون قصد دارند تعداد منابع فوتونی را در تراشه افزایش دهند و با استفاده از ساختار‌هایی مانند میکروحفره‌ها و موج‌بر‌های نور کند برهم‌کنش نور و ماده را تقویت کنند.

به گفته تیم پژوهش توسعه این فناوری می‌تواند در آینده نزدیک به اجرای عملیات منطقی کوانتومی روی تراشه و طراحی معماری‌های پیشرفته برای پردازش اطلاعات کوانتومی منجر شود.