خلاصه خبر:
محققان دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا با تمرکز بر امیترهای تک فوتون کارآمد، که برای انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی بسیار مهم است، توسعه یک اینترنت کوانتومی را پیش می‌برند. مطالعه آنها، چالش های تولید فوتون در باند طول موج مخابراتی را برجسته می کند، جایی که تلفات کم برای ارتباطات فیبر نوری ضروری است. آنها کشف کردند که ارتعاشات اتمی در مواد مانع کارایی انتشار فوتون می شود، به ویژه در طول موج های بلندتر. با توسعه مدل‌های نظری، این تیم استراتژی‌هایی را برای افزایش کارایی از طریق انتخاب دقیق مواد و مهندسی خواص ارتعاشی شناسایی کردند. آنها همچنین با همکاری کارشناسان Quantum Foundry، کوپل کردن امیترهای کوانتومی به کاواک‌های فوتونیک را با هدف ایجاد امیترهای روشن تر و کارآمدتر برای شبکه های کوانتومی آینده بررسی کردند، و راه را برای یک اینترنت کوانتومی قوی هموار کردند.
توضیحات تکمیلی:
رایانه‌های کوانتومی، شبیه به همتایان کلاسیک خود، از اتصال مشابه به اینترنت به‌شدت سود خواهند برد. با این حال، توسعه "اینترنت کوانتومی" به انتقال قابل اعتماد اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی بستگی دارد. محققان کالج مهندسی دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا (UC Santa Barbara College of Engineering)، همانطور که در مطالعه خود با عنوان "طراحی منطقی تابشگرهای کوانتومی مبتنی بر نقص کارآمد" منتشر شده در APL Photonics به تفصیل شرح داده شده است، گام های مهمی در درک و بهبود این انتقال برداشته اند.
یک کلید برای عملکرد مدرن اینترنت، انتقال پایدار داده ها در فواصل طولانی است که عمدتاً از طریق فوتون ها - واحدهای نور به دست می آید. فوتون ها برای این منظور ایده آل هستند زیرا با محیط خود برهمکنش ضعیفی دارند و یکپارچگی اطلاعات کوانتومی را در فواصل زیاد حفظ می کنند. با این حال، چالش در تولید فوتون‌های منفرد است که می‌توانند در «باند طول موج مخابراتی»، یعنی محدوده بهینه برای ارتباطات فیبر نوری به دلیل ویژگی‌های تلفات کم، کار کنند.
تیم تحقیقاتی UCSB به رهبری پروفسور کریس ون دی وال، بر مشکلات تولید فوتون در این طول موج های حیاتی تمرکز کردند. آنها کشف کردند که ارتعاشات اتمی درون مواد، معروف به فونون، نقش مهمی در کاهش کارایی انتشار فوتون ایفا می کند. این ارتعاشات می توانند انرژی را از امیتر تخلیه کنند و منجر به راندمان پایین تر شوند، به خصوص زمانی که انتشار به طول موج های طولانی تر و مادون قرمز مورد نیاز برای برنامه های مخابراتی تغییر می کند.
برای مقابله با این موضوع، محققان مدل‌های نظری را برای درک بهتر و کاهش تأثیر فونون‌ها توسعه دادند. یافته های آنها نشان داد که انتخاب دقیق مواد میزبان و مهندسی سطح اتمی خواص ارتعاشی می تواند کارایی را افزایش دهد. مارک توریانسکی، محقق فوق دکتری، بر این استراتژی ها به عنوان راه حل های امیدوارکننده تاکید کرد.
علاوه بر این، این کوپل کردن امیترهای کوانتومی به کاواک های فوتونیک را مورد بررسی قرار دادند، روشی که از تخصص موسسه های UCSB Quantum Foundry بهره می‌برد. هدف این همکاری، با مشارکت پروفسور مهندسی کامپیوتر Galan Moody و دانشجوی تحصیلات تکمیلی کامیار پرتو، ایجادامیترهای کوانتومی روشن‌تر و کارآمدتر است.
این بینش ها نه تنها درک ما را از ناکارآمدی امیترهای کوانتومی عمیق تر می کند، بلکه راه را برای طراحی شبکه های کوانتومی پیشرفته هموار می کند. با غلبه بر این چالش‌ها، تیم UCSB امیدوار است که زمینه را برای اینترنت کوانتومی قوی آینده فراهم کند و به طور بالقوه انقلابی در نحوه اشتراک‌گذاری اطلاعات کوانتومی در سطح جهانی ایجاد کند.
منبع
Mark E. Turiansky et al, Rational design of efficient defect-based quantum emitters, APL Photonics (2024). DOI:
https://phys.org/news/2024-07-bright-prospects-quantum.html
