مواد بسیار نازک می توانند مدارهای نور کوانتومی را قابل برنامه ریزی کنند

توسط مرکز تعالی ARC برای سیستم‌های متااپتیکی تبدیل‌کننده (TMOS)

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک مقاله مروری جدید نشان می‌دهد که فوتونیک کوانتومی می‌تواند بخش مهمی از فناوری کوانتومی آینده باشد، اگر بتوان مواد مناسبی را ایجاد کرد.

فوتونیک رویکردی برای توسعه فناوری کوانتومی با استفاده از نور ارائه می دهد. نویسندگان بر این باورند که یک پلت فرم فوتونیک قابل برنامه ریزی می تواند فناوری هایی مانند شبکه های عصبی کوانتومی و محاسبات کوانتومی توزیع شده را فعال کند.

بسیاری از اجزای فوتونیک در حال حاضر وجود دارند و می‌توانند روی یک تراشه سیلیکونی ادغام شوند. چالش این است که آنها را به گونه ای کنار هم قرار دهیم که بتوان آن ها را به طور موثر دستکاری کرد. فناوری امروزی عمدتا پس از تولید ثابت است.

این بازبینی توسط دانشمندان مرکز تعالی ARC برای سیستم‌های متااپتیکی تبدیل‌کننده (TMOS) به سرپرستی کارگردان Dragomir Neshev انجام شد.

نشف، که همچنین در گروه مهندسی مواد الکترونیکی کار می کند، گفت: «سیستم های فوتونیک کوانتومی قابل برنامه ریزی توسعه مهمی در آینده برای این مرکز هستند. ما کمک های زیادی کرده ایم و ادغام این نقاط قوت برای ما مهم است.»

این بررسی در Nature Photonics منتشر شده است. نویسندگان آن ایگور آهارونویچ از دانشگاه فناوری سیدنی، کن کروزیر از دانشگاه ملبورن و نشف هستند.

نویسندگان نسل جدیدی از دستگاه‌های کوانتومی قابل برنامه‌ریزی را تصور می‌کنند، برخلاف دستگاه‌های رایجی که از خاصیت کوانتومی ساکن استفاده می‌کنند، مانند لیزر و ترانزیستور. این تغییر به عنوان دومین انقلاب کوانتومی شناخته می شود.

تعدادی از پلتفرم های تکنولوژیکی برای بخش هایی از بازار کوانتومی آینده رقابت می کنند. نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که فوتونیک مزایایی را ارائه می‌کند، زیرا فوتون‌ها وابستگی کمی دارند و می‌توانند اطلاعات رمزگذاری شده در حالت‌های کوانتومی چند بعدی را حمل کنند.

آنها می گویند: «مدارهای کوانتومی قابل برنامه ریزی نقشی محوری در انتقال اپتیک کوانتومی از نمایش اثبات مفهوم به راه حل های تکنولوژیکی قوی برای انقلاب کوانتومی دوم ایفا خواهند کرد.

با این وجود، یک حلقه مفقوده برای هدف فوتونیک کوانتومی قابل برنامه ریزی باقی مانده است: چند کارکردی. برای بسیاری از کاربردها، شخص نیاز به سیستمی دارد که بتواند چندین عملکرد را انجام دهد، که نیاز به پیکربندی مجدد چندین مؤلفه به طور همزمان دارد.

به عنوان مثال، آیا می توان طول موج منبع و همچنین قطبش آن را تغییر داد و فوتون های ساطع شده را به آشکارسازهای مختلف هدایت کرد؟

این بررسی عناصر کلیدی قابل برنامه ریزی را پوشش می دهد که از منابع نور کوانتومی قابل تنظیم شروع می شود. اینها باید فوتون های درهم تنیده ایجاد کنند و ساختار نور را کنترل کنند. این بدان معناست که نه تنها فرکانس، بلکه دامنه، فاز و قطبش را نیز کنترل می‌کند و حالت‌های عجیب و غریب مانند گردابه‌های کوانتومی و پرتوهای برداری را ممکن می‌سازد. چنین حالت هایی به طور قابل توجهی قابلیت های مدارهای فوتونی را افزایش می دهند.

در حالی که گسترده ترین منابع فعلی از فرآیندهای غیرخطی مانند تبدیل پارامتری خود به خودی پایین استفاده می کنند، نویسندگان معتقدند منابع تک فوتون پتانسیل قابل توجهی دارند.

به طور خاص، کریستال های واندروالس را می توان با تغییر نحوه مونتاژ یا پیچ خوردگی لایه های تشکیل دهنده آنها تنظیم کرد. سیستم‌های مکانیکی با نیروی الکتریکی میکروسکوپی توسعه داده شده‌اند که می‌توانند این کریستال‌ها و سایر اجزای روی تراشه را تنظیم کنند.

کروزیر می‌گوید: «قابل توجه است که با تغییر نحوه چیدن این مواد فوق‌العاده نازک روی یکدیگر، کنترل چقدر امکان‌پذیر است.

با این حال، کریستال‌های واندروالس از نظر روشنایی، خلوص فوتون و انسجام هنوز با منابع پیشرو کنونی، به عنوان مثال، نقاط کوانتومی و مراکز رنگ رقابت نمی‌کنند: کار بیشتری مورد نیاز است.

عنصر کلیدی بعدی مدولاسیون دینامیکی اجزا است، یک "بلوک مهم" برای فوتونیک کوانتومی قابل برنامه ریزی. رویکردهای سنتی برای دستکاری فاز و فرکانس، حجیم، کم‌تلفات و دیر تغییر می‌کنند.

در حالی که تعدادی از راه‌حل‌ها به رفع این اشکالات می‌پردازند، هیچ پلت‌فرم ماده واحدی تمام معیارهای ضروری را برآورده نمی‌کند: جفت کردن کارآمد انرژی در داخل و خارج. سوئیچینگ کم انرژی، کارآمد و فوق سریع؛ و مقیاس پذیری

نویسندگان بر این باورند که مواد 2 بعدی ممکن است در نهایت به اندازه کافی همه کاره باشند تا همه این معیارها را برآورده کنند.

آهارونویچ گفت: اساسا هر جزء از یک مدار کوانتومی آینده را می توان با استفاده از اجزای ماده دو بعدی مهندسی کرد.

"مواد دو بعدی قدرتمند هستند و دارای عملکردهای بی شماری هستند. آنها مهندسی باند، عملکردهای الکترونیک نوری و غیرخطی و منابع نور کوانتومی را امکان پذیر می کنند.

این مواد جدید با قابلیت‌های تنظیم چشمگیر می‌توانند ابزار جدیدی برای کنترل فراهم کنند.»

ایگور آهارونویچ و همکاران، فوتونیک کوانتومی یکپارچه قابل برنامه ریزی، فوتونیک طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41566-025-01830-x

ارائه شده توسط مرکز تعالی ARC برای سیستم های متا اپتیکال تبدیل کننده (TMOS)

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →