تحولی در فوتونیک کوانتومی با استفاده از متاسطوح فوقنازک بهعنوان جایگزین اجزای نوری حجیم
عنوان خبر: تحولی در فوتونیک کوانتومی با استفاده از متاسطوح فوقنازک بهعنوان جایگزین اجزای نوری حجیم
ژانر/موضوع: فوتونیک کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 26 ژوئیه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
پژوهشگران هاروارد، موفق به توسعه مِتاسطوحی (metasurfaces) بسیار نازک شدهاند که میتوانند عملیات پیچیده کوانتومی را با تولید و کنترل فوتونهای درهمتنیده انجام دهند. این متاسطوح، اجزای نوری حجیمی مانند پرتوشکن ها و موجبرها را جایگزین میکنند و طراحی سیستم های فوتونیک کوانتومی را سادهتر، پایدارتر و مقیاسپذیرتر میسازند. با بهرهگیری از نظریه گراف، این تیم الگوهای تداخل فوتونها را مدلسازی کرده و متاسطوحی طراحی کرده است که قادر به اجرای فرایندهای پیشرفته کوانتومی مانند خوشهبندی(bunching) و درهمتنیدگی چندفوتونی هستند. تداخلسنجهای مبتنی بر متاسطح آنها، پدیدههایی مانند اثر Hong-Ou-Mandel را در یک لایه منفرد شبیهسازی میکنند و افقهایی نو برای محاسبات کوانتومی در دمای اتاق، حسگرهای کوانتومی و “دستگاههای آزمایشگاهی روی تراشه” میگشایند.
شرح کامل خبر:
در یک پیشرفت چشمگیر در مسیر فناوریهای کوانتومی مقیاسپذیر، پژوهشگران دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان ای. پالسون دانشگاه هاروارد (SEAS) نشان دادهاند که متاسطوح—مواد فوقباریک با ساختارهای نانومتری—میتوانند عملیات پیچیدهی کوانتومی را با تولید و کنترل فوتونهای درهمتنیده انجام دهند. این پژوهش که بهتازگی در Science منتشر شده، جایگزینی نوآورانه برای سیستم های رایج فوتونیک کوانتومی ارائه میدهد که معمولاً به اجزای حجیم و حساس اپتیکی مانند پرتوشکن ها و موجبرها وابستهاند.
فوتونها به دلیل ناهمدوسی کم و عملکرد در دمای اتاق، حاملان مناسبی برای اطلاعات کوانتومی هستند. با این حال، سیستم های سنتی برای تولید درهمتنیدگی و تداخل فوتونی—همچون سیستم های مبتنی بر اثر Hong-Ou-Mandel (HOM)—با افزایش تعداد فوتونها (و کیوبیتها)، بهسرعت پیچیده و غیرقابل مقیاس میشوند. این سیستم ها معمولاً به آرایشهای دقیق و اجزای متعدد نیاز دارند و مستعد خطا ناشی از ناهمترازی و نقصهای ساخت هستند.
تیم تحقیقاتی به رهبری Federico Capasso، این چالش را با جایگزین کردن ساختارهای چندجزئی متداول با یک متاسطح تکلایه رفع کردهاند. این متاسطح با الگوهای نانومقیاس فضایی رمزگذاری شده که ویژگیهایی مانند دامنه، فاز و قطبش نور را با دقت بالا کنترل میکنند. این متاسطح به عنوان یک تداخلسنج چندپورتی HOM عمل میکند و امکان خوشهبندی (bunching)، ضدخوشهبندی (antibunching)، و درهمتنیدگی کنترلشدهی فوتونها را فراهم میسازد.
نکته برجسته پژوهش معرفی چارچوبی مبتنی بر نظریه گراف برای طراحی و تحلیل این متاسطوح است. در این فرمالیسم، طراحی متاسطح و الگوهای تداخل کوانتومی حاصل، بهصورت گرافهای ریاضیاتی—نقاط و خطوطی که چگونگی ارتباط فوتونها را نشان میدهند—مدلسازی میشود. این نمایش دوگانه، امکان نگاشت مستقیم شبکههای نوری خطی پیچیده را به یک متاسطح واحد فراهم میسازد و طراحی را بسیار سادهتر و مقیاسپذیرتر میکند.
در عمل، این رویکرد منجر به ساخت پردازندههای فوتونیک کوانتومی فشرده، پایدار و کمتلفات میشود که میتوانند در رایانهها، شبکهها، حسگرهای کوانتومی و پلتفرمهای آزمایشگاهی روی تراشه (lab-on-a-chip) بهکار روند. همکاری با گروه Marko Lončar’s group، متخصصان اپتیک کوانتومی یکپارچه، این پروژه را از نظر امکانسنجی تجربی، قویتر کرد.
این دستاورد، زمینهساز نسل جدیدی از سیستم های فوتونیک کوانتومی پایدار، مقاوم در برابر خطا و مینیاتوری است و نقطه عطفی در حرکت به سوی فناوریهای کوانتومی مبتنی بر متاسطح بهشمار میآید.
منابع:
[1] https://thequantuminsider.com/2025/07/26/could-metasurfaces-be-the-next-quantum-information-processors/
[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw8404
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
