فیزیک کوانتومی متحول می‌شود: دستگاهی جدید که آینده‌ی مخابرات و انرژی را دگرگون می‌کند!

تحولات نوین در دنیای فیزیک کوانتومی

دانشمندان فیزیک از دیرباز، یعنی حدود یک قرن، مشغول اندازه‌گیری و درک رفتار عجیب و غریب فوتون‌ها، الکترون‌ها و سایر ذرات ریز‌اتمی در ابعاد فوق‌العاده کوچک بوده‌اند. مهندسان هم دهه‌ها وقت صرف کرده‌اند تا از این پدیده‌ها بهره‌برداری کنند و فناوری‌های نوین را بسازند. یکی از این پدیده‌ها که درهم‌تنیدگی کوانتومی نام دارد، حالتی است که در آن جفت‌های فوتون به هم مرتبط می‌شوند؛ طوری که وضعیت یک فوتون بلافاصله با وضعیت فوتون جفتش هماهنگ می‌شود، حتی اگر فاصله‌ی زیادی بین آن‌ها وجود داشته باشد. آلبرت اینشتین تقریباً 80 سال پیش به این پدیده اشاره کرد و آن را “عمل ترسناک از راه دور” نامید. امروزه، درهم‌تنیدگی موضوع اصلی پروژه‌های تحقیقاتی در سراسر جهان است و به یک روش محبوب برای ساخت ابتدایی‌ترین واحد اطلاعات کوانتومی، یعنی کیوبیت، بدل شده است.

روش‌های جدید برای تولید جفت فوتون

در حال حاضر، مؤثرترین روش برای تولید جفت فوتون، نیاز به تابش امواج نوری از طریق یک کریستال بزرگ دارد که بدون میکروسکوپ هم قابل مشاهده است. تیمی به رهبری محققان مهندسی کلمبیا و همکارانشان در مقاله‌ای که اخیراً در مجله‌ی Nature Photonics منتشر شده است، یک روش جدید برای تولید این جفت فوتون‌ها را شرح داده‌اند که با استفاده از یک دستگاه بسیار کوچک‌تر و مصرف انرژی کمتر، عملکرد بهتری دارد. پ. جیمز شاک، استاد مدعو مهندسی مکانیک در دانشگاه کلمبیا، در هدایت این تیم تحقیقاتی نقش داشته است.

اهمیت این یافته‌ها

این یافته‌ها یک گام مهم رو به جلو در زمینه اپتیک غیرخطی محسوب می‌شوند؛ که به استفاده از فناوری‌ها برای تغییر ویژگی‌های نور در کاربردهایی مانند لیزرها، ارتباطات از راه دور و تجهیزات آزمایشگاهی می‌پردازد. شاک که همچنین مدیر مشترک برنامه‌ی کارشناسی ارشد علوم و فناوری کوانتومی کلمبیا است، می‌گوید: «این کار تحقق هدفی است که مدت‌ها به دنبالش بودیم؛ یعنی ایجاد پیوندی بین اپتیک غیرخطی در مقیاس‌های بزرگ و کوچک و همچنین حوزه‌ی کوانتومی.» او اضافه می‌کند: «این تحقیق پایه‌ای برای ساخت دستگاه‌های یکپارچه و قابل توسعه با راندمان بالا، مانند تولیدکننده‌های جفت فوتون‌های درهم‌تنیده‌ی قابل تنظیم، فراهم می‌کند.»

چگونگی عملکرد دستگاه

این دستگاه جدید که تنها 3.4 میکرومتر ضخامت دارد، نویدبخش آینده‌ای است که در آن این جزء حیاتی از بسیاری از سیستم‌های کوانتومی می‌تواند بر روی یک تراشه‌ی سیلیکونی قرار گیرد. این تغییر می‌تواند منجر به افزایش چشمگیری در بهره‌وری انرژی و قابلیت‌های فنی کلی دستگاه‌های کوانتومی شود.

توسعه‌ی دستگاهی نوآورانه با استفاده‌ از مواد نیمه‌رسانای واندروالسی

محققان برای ساخت این دستگاه، از کریستال‌های نازک یک ماده‌ی نیمه‌رسانا به نام دی‌سولفید مولیبدن استفاده کردند که به عنوان یک فلز انتقالی واندروالس نیز شناخته می‌شود. آن‌ها شش لایه از این کریستال‌ها را در یک ساختار قرار دادند به طوری که هر لایه نسبت به لایه‌های بالایی و پایینی خود، 180 درجه چرخیده بود. وقتی نور از این ساختار عبور می‌کند، پدیده‌ای به نام هم‌فازی شبه، ویژگی‌های نور را تغییر می‌دهد و امکان تولید جفت فوتون را فراهم می‌کند. این مقاله اولین بار است که از هم‌فازی شبه در هر ماده‌ی واندروالسی برای تولید جفت فوتون‌ها در طول موج‌هایی که برای ارتباطات مخابراتی مناسب هستند، استفاده کرده است. این روش جدید به طور قابل توجهی راندمان بالاتری دارد و احتمال خطا در آن بسیار کمتر است. شاک می‌گوید: «ما باور داریم که این پیشرفت، مواد واندروالسی را به عنوان محور اصلی معماری‌های فوتونیکی غیرخطی و کوانتومی نسل بعدی معرفی خواهد کرد. این مواد به گزینه‌های ایده‌آلی برای توسعه‌ی همه‌ی فناوری‌های آینده روی تراشه و جایگزینی برای کریستال‌های حجیم و قدیمی تبدیل خواهند شد.» وی همچنین اشاره می‌کند: «این نوآوری‌ها تأثیر فوری بر زمینه‌های مختلفی از جمله ارتباطات کوانتومی در تلفن‌های همراه و توزیع مبتنی بر ماهواره خواهد داشت.»

نحوه‌ی شکل‌گیری این دستاورد

شاک و تیمش، دستگاه جدید را بر اساس کارهای قبلی خود توسعه دادند. در سال 2022، این گروه نشان داد که موادی مانند دی‌سولفید مولیبدن، خواص خوبی برای اپتیک غیرخطی دارند، اما عملکرد آن‌ها به دلیل تمایل امواج نور به تداخل با یکدیگر در هنگام عبور از این ماده، محدود بود. تیم تحقیقاتی برای حل این مشکل که به عنوان هم‌فازی شناخته می‌شود، به یک تکنیک به نام پولینگ تناوبی روی آورد. با تغییر جهت لایه‌ها در این ساختار، دستگاه نور را به گونه‌ای دستکاری می‌کند که امکان تولید جفت فوتون‌ها را در ابعاد بسیار کوچک فراهم می‌کند. شاک می‌گوید: «وقتی متوجه شدیم این ماده چقدر شگفت‌انگیز است، فهمیدیم که باید به سمت پولینگ تناوبی برویم تا تولید جفت فوتون‌ها را با بازدهی بالا ممکن سازیم.»

این کار در قالب مواد کوانتومی قابل برنامه‌ریزی انجام شد؛ یک مرکز تحقیقاتی مرزی در انرژی وزارت انرژی در دانشگاه کلمبیا، و بخشی از یک تلاش بزرگ‌تر برای شناخت و بهره‌برداری از مواد کوانتومی بود. این کار به لطف همکاری آزمایشگاه‌های باسو، دلور و دین ممکن شد. کیارا ترواتلو، محقق فوق دکتری، رهبری این پروژه را بر عهده داشت.

“`