محققان مرکز فناوری‌های نوری کوانتومی QOT با همکاری دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو به پیشرفت قابل توجهی در زمینه تبدیل اطلاعات کوانتومی دست یافته‌اند. مطالعه آنها که در Nature Photonics منتشر شده است، دستگاهی را نشان می دهد که قادر به تبدیل اطلاعات کوانتومی بین فوتون های مایکروویو و نوری است. این دستاورد فرصت‌های جدیدی را برای فناوری‌های کوانتومی، زیرساخت شبکه‌های کوانتومی و نجوم رادیویی مایکروویو باز می‌کند.
تبدیل اطلاعات کوانتومی برای توسعه شبکه‌های کوانتومی ترکیبی (هیبرید)که دستگاه‌های کوانتومی مختلف مانند رایانه‌های کوانتومی را به هم متصل می‌کنند، بسیار مهم است. در حالی که محاسبات کوانتومی با فوتون‌های مایکروویو و مدارهای ابررسانا نویدبخش بوده است، انتقال اطلاعات کوانتومی از راه دور که در فوتون‌های مایکروویو کدگذاری شده‌اند به دلیل تجمع نویز چالش‌برانگیز است. از سوی دیگر، فوتون های نوری می توانند به طور موثر اطلاعات کوانتومی را از طریق فیبرهای نوری منتقل کنند و آنها را برای ساخت شبکه های کوانتومی ایده آل می کند. بنابراین، یک مبدل مایکروویو به نور برای اطلاعات کوانتومی نقش حیاتی را به عنوان رابط بین کامپیوترهای کوانتومی و اینترنت کوانتومی ایفا می کند.
محققان از اتم‌های Rydberg که می‌توانند با فوتون‌های مایکروویو و نوری تعامل داشته باشند، به‌عنوان واسطه‌ای برای فرآیند تبدیل استفاده کردند. به طور معمول، تبدیل مایکروویو به نوری با استفاده از اتم های خنک شده با لیزر در تنظیمات پیچیده نشان داده شده است. با این حال، تیم دانشگاه ورشو با موفقیت نشان داد که تبدیل مایکروویو به نور را می توان در دمای اتاق، با استفاده از بخارات اتمی داخل یک cell شیشه ای به دست آورد. این طراحی جدید فرآیند تبدیل را ساده می کند و پتانسیل کوچک سازی آینده را ارائه می دهد.
مبدل جدید توسعه یافته سطح نویز پایینی دارد و می تواند روی تک فوتون ها کار کند. برخلاف روش‌های قبلی، نیازی به آماده‌سازی اتم‌ها در یک توالی زمانی طراحی‌شده خاص نیست که امکان عملیات مداوم را فراهم می‌کند. این دستگاه همچنین تشخیص تشعشعات حرارتی مایکروویو را در دمای اتاق امکان پذیر می کند و نیاز به آنتن های مایکروویو یا تقویت کننده های ویژه کم نویز را از بین می برد. قابل ذکر است که این مبدل می تواند تابش مایکروویو را میلیون ها برابر قوی تر بدون آسیب رساندن تحمل کند و از دستگاه های مایکروویو استاندارد قوی تر است.
پیامدهای این پیشرفت بسیار گسترده است. ترکیب سیستم‌های مایکروویو و نوری کاربردهایی از رایانه‌های کوانتومی تا نجوم رادیویی مایکروویو دارد. عملیات مایکروویو تک فوتون که توسط این مبدل تسهیل می‌شود می‌تواند مشاهدات نجومی و مطالعه پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را پیش ببرد. علاوه بر این، توسعه حسگرهای مایکروویو اتمی ممکن است پیامدهای قابل توجهی برای اتصالات اینترنت پرسرعت و فناوری‌های نسل بعدی تلفن همراه داشته باشد که بر باندهای انتقال مایکروویو فرکانس بالا متکی هستند.
منبع
Borówka, S. et al. Continuous wideband microwave-to-optical converter based on room-temperature Rydberg atoms. Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01295-w. www.nature.com/articles/s41566-023-01295-w
