محاسبات کامپیوتری با فیبر نوری

خلاصه خبر:

دانشمندان دانشگاه هریوت وات در ادینبورگ، اسکاتلند، یک راه قدرتمند برای برنامه ریزی مدارهای نوری یافته اند.محققان از رفتار پراکندگی طبیعی نور در یک فیبر نوری برای برنامه ریزی استفاده کردند. وقتی نور وارد فیبر نوری می شود، به روش های پیچیده ای پراکنده و مخلوط می شود. با یادگیری این فرآیند پیچیده و شکل دادن دقیق نور در فیبر نوری، میتوان راهی برای مهندسی دقیق یک مدار نوری پیدا کرد.محققان همچنین نشان دادند که چگونه می‌توان از مدارهای نوری قابل برنامه‌ریزی برای دستکاری درهم تنیدگی کوانتومی استفاده کرد. اهمیت این موضوع برای زمانیست که دو یا چند ذره کوانتومی مانند فوتون‌های نور در فواصل دور به هم متصل هستند. مدارهای نوری برای توسعه فناوری‌های کوانتومی آینده مانند شبکه‌های ارتباطی غیرقابل هک و رایانه‌های کوانتومی فوق سریع بسیار حیاتی هستند.


توضیحات تکمیلی:

نور می تواند اطلاعات زیادی را حمل کند. مدارهای نوری که از نور بجای الکتریسیته برای محاسبه استفاده میکنند به عنوان جهش بزرگ بعدی در فناوری محاسبات در نظر گرفته می شوند. اما همانطور که مدارهای نوری بزرگتر و پیچیده تر می شوند، کنترل و ساخت آنها دشوارتر می شود، این می تواند بر عملکرد سیستم تأثیر بگذارد. در این تحقیق یک روش جایگزین برای مهندسی مدارهای نوری، با استفاده از فرآیند های طبیعی نور پیشنهاد داده شده است.

مدارهای نوری قابل برنامه ریزی ابزار مهمی در توسعه فناوری های کوانتومی مانند فرستنده و گیرنده برای ارتباطات کوانتومی و تراشه های فوتونیک یکپارچه برای پردازش اطلاعات کوانتومی هستند.یک مدار نوری قابل برنامه‌ریزی عنصری ضروری برای کاربردهای متنوعی مانند سنجش، ارتباطات، محاسبات نورومورفیک، هوش مصنوعی و پردازش اطلاعات کوانتومی است. تولید مدارهای بزرگ و قابل برنامه ریزی برای پردازش منسجم اطلاعات کدگذاری شده در نور از اهمیت بالایی برخوردار است. با این حال، چالش‌های زیادی در ارتباط با طراحی، ساخت و کنترل چنین مدارهایی وجود دارد، که معمولاً به نقشه پیچیده‌ای از تداخل‌سنج‌های ساخته شده با اپتیک‌های حجیم یا یکپارچه نیاز دارند.
 

در رویکرد پیشنهادی «بالا به پایین» (b)، یک مدار خطی بعد d با یک میکسر بزرگ حالات با ابعاد n > d تعبیه شده است، که در آن حالت های n - d به عنوان یک منبع اضافی عمل می کنند. این تکنیک با استفاده از ماتریس های یکانی Uj (مانند یک سیستم پراکندگی پیچیده) با صفحات فاز قابل کنترل Pj پیاده‌سازی شده و از طریق مدولاتور های شکل فضایی، قابلیت برنامه‌ریزی را در مدار هدف فراهم می‌کنند. c، یک رویکرد مشابه با استفاده از مبدل‌های نور چند لایه‌ای است، که در آن ماتریس های یکانی تصادفی با ماتریس انتشار فضای آزاد F جایگزین می‌شوند.(SLMمدولاتور شکل فضایی هستند)

روش پیشنهادی این تحقیق بصورت زیر است:
 

شکل a، یک حالت دو فوتونی درهم تنیده فضایی با ابعاد بالا از طریق SPDC نوع II در یک کریستال ppKTP ایجاد می شود. دو فوتون از نظر فضایی توسط یک  تقسیم کننده پرتو قطبیده (PBS) از هم جدا شده و به دو طرف، یعنی آلیس و باب فرستاده می شوند. آلیس اندازه‌گیری‌های  تک نتیجه‌ای را انجام می‌دهد  که آیا فوتون حالت فضایی a را از مبنا مودال μ حمل می‌کند یا خیر. این آزمایش توسط ترکیبی از یک SLM (SLM3)، فیبر تک مودی و یک فوتودیود بهمنی تک فوتونی (APD) انجام می گیرد.  باب یک مدار قابل برنامه ریزی از بالا به پایین را پیاده سازی می کند که از یک MMF که بین دو SLM قابل برنامه ریزی (SLM1,2) قرار گرفته، ساخته شده است. این مدار برای برنامه‌ریزی انواع گیتهای کوانتومی با ابعاد بالا استفاده می‌شود و به عنوان یک دستگاه چندنتیجه تعمیم یافته عمل می‌کند. شکل دایره‌ای ایجاد شده یک تصویر تصادفی از یک اندازه‌گیری پنج نتیجه‌ای را بر پایه μ = 1 انجام شده با گیت فوریه F در باب را  نشان می‌دهد. تصویر با اسکن یک آشکارساز در سراسر خروجی مدار، به دست می آید و شدت زیادی را در حالت 0 به دلیل همبستگی های حالت فضایی قوی نشان می دهد.رویدادهای تشخیص تصادف بین آلیس و باب توسط دستگاه های الکترونیکی برچسب گذاری زمان ثبت می شوند.

b، تصاویر دستگاه عملکرد گیت فوریه را به عنوان یک اندازه گیری چندنتیجه ای از حالت های ماکرو پیکسلی کلاسیک نشان می دهد که بر اساس μ = 1 در ابعاد d = {2,3,5} تهیه شده است. توجه داشته باشید که اگرچه حالت های ورودی برای یک d معین دامنه یکسانی دارند، اما در فاز متعامد هستند:  L، لنز؛ F، فیلتر؛ HWP، صفحه نیمه موج.

ابزار های فنی استفاده شده بصورت زیر هستند:

از یک لیزر پیوسته تثبیت‌شده با تراشه ثابت مدل(TOPTICA DL Pro HP) در 405 نانومتر برای پمپ کردن یک کریستال با لایه های دوره ای تیتانیل فسفات پتاسیم (ppKTP)  استفاده شده  که دارای ابعاد(1mm× 2mm×15mm)  است. این لیزر با توان 125میلی وات به کریستال تابانده می‌شود. سپس زوج  فوتون هایی با طول موج 810 نانومتر  ایجاد می‌شوند که دارای قطبش عمود بر یکدیگر هستند. در ادامه از یک سیستم تلسکوپ با استفاده از عدسی ها برای شکل دادن به پرتو پمپ و تمرکز آن بر روی کریستال با قطر پرتو 1.2 میلی متر استفاده می شود. شرایط تطبیق فاز برای این عملیات از طریق تنظیم دمای کریستال در یک اجاق سفارشی که آن را در دمای 38 درجه سانتیگراد نگه می دارد به وجود می‌آید.

پس از کریستال، پمپ با استفاده از یک آینه دو رنگ و یک فیلتر باند (F) فیلتر می شود، که جفت فوتون تولید شده توسط یک تقسیم کننده پرتو قطبشی جدا می شود. فوتون منعکس شده (مرتبط با آلیس) دارای قطبش چرخیده از حالت عمودی به افقی توسط یک تیغه نیمه موجی است که بر روی یک SLM فازی که در صفحه فوریه کریستال با استفاده از یک عدسی 400 میلی متری قرار می گیرد. فوتون ارسالی (مرتبط با باب) به یک مدار قابل برنامه ریزی که از بالا به پایین ساخته شده، فرستاده می‌شود.

مدار قابل برنامه ریزی از یک فیبر چند مودی با شاخص درجه بندی شده دو متری (Thorlabs M116L02) تشکیل شده که بین دو SLM فقط فاز قابل برنامه ریزی (SLM1,2) قرار گرفته است. پس از انعکاس از SLM ها، یک سیستم تلسکوپ و یک عدسی کروی برای تطبیق فوتون ها با حالت های جمع آوری SMF یا MMF استفاده می شود.

با استفاده از درجه آزادی عرضی فضایی نوری، این روش ‌به آسانی به پلتفرم‌های دیگر قابل تعمیم است، این پلتفرم ها دارای شیفتر های فاز و میکسرهای حالات هستند. به عنوان مثال، اجرای طرح‌های از بالا به پایین در اپتیک یکپارچه با توسعه موجبرهای ترکیبی تصادفی و در دسترس قرار گرفتن شیفترهای فاز با قابلیت تنظیم مجدد کم تلفات، همراه خواهند بود.

پیشرفت‌های بیشتر همچنین باید به مسائل عملی از جمله پراکندگی مودال و اختلاط مکانی-زمانی بپردازند که در فیبرهای چند مودی طولانی و رسانه‌های پراکننده ضخیم وجود دارند. با این حال، همین موانع، گسترش طراحی مدار از بالا به پایین را در حوزه طیفی-زمانی نیز امکان پذیر می‌سازند.

با نشان دادن تحقق عملی مدارهای نوری قابل برنامه ریزی با ابعاد بالا  در خود کانال انتقال، این کار  بر یک مانع قابل توجه در برابر پذیرش رمزگذاری با ابعاد بالا در سیستم های ارتباطی کوانتومی غلبه کرده و راه را برای اجرای عملی مدارهای نوری قابل برنامه ریزی در فن آوری های مختلف فوتونیک و کوانتومی کوتاه مدت از جمله سنجش و محاسبات فراهم آورده است.

منبع

Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6