مهندسی رازآلودگی کوانتومی در ابعاد نانو

پیشرفت‌های جدید در فیزیک کوانتومی

فیزیکدانان بیش از یک قرن است که در حال اندازه‌گیری و درک روش‌های عجیب تعامل فوتون‌ها، الکترون‌ها و سایر ذرات زیراتمی در مقیاس‌های بسیار کوچک هستند. مهندسان نیز دهه‌ها وقت صرف کرده‌اند تا از این پدیده‌ها بهره‌برداری کنند و فناوری‌های جدیدی ایجاد کنند. یکی از این پدیده‌ها، که به آن درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌گویند، به گونه‌ای است که جفت‌های فوتون به هم متصل می‌شوند به طوری که وضعیت یکی از فوتون‌ها به‌طور آنی با وضعیت فوتون جفتش مطابقت پیدا می‌کند، حتی اگر فاصله زیادی بین آن‌ها وجود داشته باشد. تقریباً 80 سال پیش، آلبرت اینشتین به این پدیده به عنوان “عملکرد ترسناک از فاصله” اشاره کرد. امروزه، درهم‌تنیدگی موضوع برنامه‌های تحقیقاتی در سرتاسر جهان است و به یک روش محبوب برای پیاده‌سازی بنیادی‌ترین شکل اطلاعات کوانتومی، یعنی کیوبیت، تبدیل شده است.

روش‌های جدید برای تولید جفت‌های فوتون

در حال حاضر، کارآمدترین روش برای تولید جفت‌های فوتون نیاز به ارسال امواج نوری از طریق یک کریستال بزرگ دارد که بدون میکروسکوپ قابل مشاهده است. در مقاله‌ای که امروز در Nature Photonics منتشر شده است، تیمی به رهبری محققان مهندسی کلمبیا و همکارانشان، یک روش جدید برای تولید این جفت‌های فوتون را توصیف کرده‌اند که عملکرد بالاتری را با استفاده از یک دستگاه بسیار کوچک و مصرف انرژی کمتر به دست می‌آورد. P. James Schuck، استاد همکار مهندسی مکانیک در کلمبیا، به رهبری این تیم تحقیقاتی کمک کرده است.

اهمیت این یافته‌ها

این یافته‌ها نمایانگر یک قدم مهم به جلو در زمینه اپتیک غیرخطی هستند، که به استفاده از فناوری‌ها برای تغییر خواص نور در کاربردهایی مانند لیزرها، ارتباطات از راه دور و تجهیزات آزمایشگاهی می‌پردازد. Schuck که مدیر مشترک برنامه کارشناسی ارشد علوم و فناوری کوانتومی کلمبیا است، می‌گوید: “این کار تجسم هدفی است که مدت‌ها در جستجوی آن بودیم، یعنی پل زدن بین اپتیک غیرخطی ماکروسکوپی و میکروسکوپی و کوانتومی.” او افزود: “این تحقیق پایه‌ای برای ایجاد دستگاه‌های یکپارچه و مقیاس‌پذیر با کارایی بالا مانند تولیدکننده‌های فوتون جفت درهم‌تنیده قابل تنظیم است.”

چگونه کار می‌کند

این دستگاه جدید که تنها 3.4 میکرومتر ضخامت دارد، به آینده‌ای اشاره می‌کند که این جزء مهم از بسیاری از سیستم‌های کوانتومی می‌تواند بر روی یک تراشه سیلیکونی جا بگیرد. این تغییر می‌تواند منجر به افزایش قابل توجهی در کارایی انرژی و قابلیت‌های فنی کلی دستگاه‌های کوانتومی شود.

توسعه دستگاهی نوین با استفاده از مواد نیمه‌هادی واندروالسی

برای ساخت این دستگاه، محققان از کریستال‌های نازک یک ماده نیمه‌هادی به نام دی‌سولفید مولیبدن، که به عنوان یک فلز انتقالی واندروالس شناخته می‌شود، استفاده کردند. آن‌ها شش تکه از این کریستال‌ها را در یک لایه قرار دادند، به گونه‌ای که هر تکه ۱۸۰ درجه نسبت به لایه‌های بالایی و پایینی خود چرخانده شده بود. هنگامی که نور از این لایه عبور می‌کند، پدیده‌ای به نام هم‌فازی شبه خواص نور را دستکاری کرده و امکان تولید فوتون‌های جفت را فراهم می‌آورد. این مقاله اولین باری است که هم‌فازی شبه در هر ماده واندروالسی برای تولید جفت فوتون‌ها در طول‌موج‌هایی که برای ارتباطات مخابراتی مفید هستند، به کار رفته است. این تکنیک به طور قابل توجهی کارآمدتر از روش‌های قبلی بوده و به مراتب کمتر در معرض خطا قرار دارد. شاک می‌گوید: “ما معتقدیم این پیشرفت، مواد واندروالسی را به عنوان هسته معماری‌های فوتونیک غیرخطی و کوانتومی نسل آینده معرفی خواهد کرد و آن‌ها را به کاندیداهای ایده‌آل برای تسهیل تمامی فناوری‌های آینده در تراشه و جایگزینی برای کریستال‌های حجیم و دوره‌ای موجود تبدیل می‌کند.” او همچنین اشاره می‌کند که “این نوآوری‌ها تأثیر فوری بر زمینه‌های متنوعی از جمله توزیع مبتنی بر ماهواره و ارتباطات کوانتومی در تلفن‌های همراه خواهند داشت.”

چگونه این اتفاق افتاد

شاک و تیمش بر اساس کارهای قبلی خود، دستگاه جدید را توسعه دادند. در سال ۲۰۲۲، این گروه نشان داد که موادی مانند دی‌سولفید مولیبدن خواص مفیدی برای اپتیک غیرخطی دارند، اما عملکرد آن‌ها به دلیل تمایل امواج نوری به تداخل با یکدیگر در حین عبور از این ماده محدود بود. تیم به تکنیکی به نام پولینگ دوره‌ای روی آورد تا این مشکل، که به عنوان هم‌فازی شناخته می‌شود، را برطرف کند. با تغییر جهت لایه‌ها در این لایه، دستگاه نور را به گونه‌ای دستکاری می‌کند که امکان تولید جفت فوتون‌ها در مقیاس‌های طولی بسیار کوچک را فراهم می‌آورد. شاک می‌گوید: “زمانی که متوجه شدیم این ماده چقدر شگفت‌انگیز است، دانستیم که باید به دنبال پولینگ دوره‌ای برویم که می‌تواند تولید جفت فوتون‌ها را با کارایی بالا ممکن سازد.”

این کار در چارچوب مواد کوانتومی برنامه‌پذیر، یک مرکز تحقیقاتی مرزی در انرژی وزارت انرژی در کلمبیا، انجام شد و بخشی از تلاش بزرگ‌تری برای درک و بهره‌برداری از مواد کوانتومی بود. این کار به لطف همکاری‌های آزمایشگاه‌های باسو، دلور و دین ممکن شد. محقق پسادکترا کیارا ترواتلو رهبری این تلاش را بر عهده داشت.