فیزیکدان آشکارساز قادر به شمارش فوتون ها برای محاسبات کوانتومی ساخته است

ویرایش شده توسط لیزا لاک، 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:

تشخیص یک فوتون به خودی خود یک چالش است. اما اگر بخواهید بدانید دقیقا چند فوتون همزمان به یک نقطه خاص می‌رسند، چه؟ فیزیکدان Erik Baalbergen در حال کار بر روی آشکارسازهای نور است که می توانند این کار را انجام دهند. آنها یک بلوک ساختمانی کلیدی برای کامپیوتر کوانتومی نوری آینده را تشکیل می دهند.

باالبرگن می‌گوید: «من همیشه از آزمایش‌های نور بیشتر لذت می‌بردم. و این پروژه زمینه‌های اپتیک، الکترونیک و فیزیک حالت جامد را گرد هم می‌آورد. در دوران دکتری خود او با تحقیق در دانشگاه لیدن، روی توسعه و بهبود آشکارسازهای نور تخصصی کار کرد. او در تاریخ 3 نوامبر از پایان نامه خود با عنوان " تفکیک عدد فوتون با نانوسیم های ابررسانا " دفاع کرد.

ما تکنیکی را توسعه داده‌ایم که به شما امکان می‌دهد بین یک، دو و سه (یا بیشتر) فوتون تمایز قائل شوید.» باالبرگن توضیح می‌دهد که یک کامپیوتر کوانتومی نوری باید آشکارسازی داشته باشد که بتواند تعداد دقیق ذرات نوری را که از آن عبور می‌کنند، شمارش کند. این به این دلیل است که کامپیوتر از این فوتون ها برای انجام محاسبات استفاده می کند. تا به حال، آشکارسازها فقط می توانستند تعیین کنند که آیا ذرات نور وجود دارند یا خیر.

باالبرگن می‌گوید: "بنابراین آشکارساز جدید ما دقیقا تعداد ذرات نور را اندازه‌گیری می‌کند، و این اندازه‌گیری‌ها همچنین اطلاعاتی در مورد قطعیت این نتیجه ارائه می‌دهند. ممکن است به نظر یک گام کوچک رو به جلو باشد، اما در واقع یک گام مهم و اساسی به جلو است. مسلما آشکارساز ما هنوز نیاز به توسعه بیشتری دارد، اما با مسیری که اکنون در پیش گرفته‌ایم، به آنجا خواهیم رسید."

Baalbergen سیم‌های بسیار نازک ساخته شده از ماده‌ای را بررسی کرد که مقاومت الکتریکی صفر در دماهای بسیار پایین از خود نشان می‌دهد - به اصطلاح آشکارسازهای نانوسیم ابررسانا. به محض برخورد فوتون به چنین سیمی، حالت الکتریکی آن تغییر می کند و سیگنال قابل اندازه گیری تولید می شود. یکی از راه حل های فنی که Baalbergen مورد بررسی قرار داده است، اتصال هوشمند بین آشکارساز و الکترونیکی است که سیگنال را می خواند. این اتصال تضمین می کند که سیگنال الکتریکی کمتری از دست می رود.

باالبرگن همچنین در طول تحقیقات خود مدتی با فیزیکدان نظری ایلسه کویجف که او نیز دکترا است کار کرد. دانشجو در لیدن او در حال بررسی این موضوع است که چگونه می توان از تجزیه و تحلیل داده های بهتر و تکنیک های جدید هوش مصنوعی برای استخراج اطلاعات بیشتر از داده های اندازه گیری از آزمایش هایی که قبلا تکمیل شده اند استفاده کرد.

Kuijf و Baalbergen، همراه با شاگرد کارشناسی ارشد خود Lars Seldenthuis، به این فکر افتادند که نه تنها به دامنه سیگنال الکتریکی، بلکه به چگونگی تغییر این سیگنال در طول زمان نیز توجه کنند. به این ترتیب، آنها راهی برای استنباط دقیق تری پیدا کردند که آشکارساز چند فوتون را شناسایی کرده است. این روش تقاضاهای نسبتا کمی را برای الکترونیک بازخوانی ایجاد می کند و بنابراین سریع و آسان به کار می رود. تحقیقات آنها در ماه جولای در APS Open Science منتشر شد.

آشکارساز فوتون تنها یکی از اجزای یک کامپیوتر کوانتومی نوری است. با این حال، هر یک از این اجزا برای توسعه بیشتر فناوری ضروری است. با گذشت زمان، کامپیوترهای کوانتومی قادر خواهند بود محاسبات پیچیده ای را انجام دهند که برای کامپیوترهای معمولی بسیار دشوار است. به عنوان مثال می توان به درک بهتر واکنش های شیمیایی و طراحی مولکول ها و مواد جدید اشاره کرد.

باالبرگن توضیح می‌دهد: «یک مزیت اصلی یک کامپیوتر کوانتومی نوری نسبت به یک کامپیوتر کوانتومی ابررسانا این است که تقریبا تمام اجزای آن در دمای اتاق کار می‌کنند. بنابراین ما برای کاهش دما تا نزدیک به صفر مطلق به یک سیستم خنک کننده بزرگ نیاز نداریم. این باعث صرفه جویی در هزینه و زمان زیادی می شود.

در دوران دکتری خود تحقیقات، Baalbergen با QuiX Quantum همکاری کرد. در تابستان 2026، این شرکت اولین نمونه اولیه کامپیوتر کوانتومی نوری خود را راه اندازی کرد. Baalbergen انتظار دارد که یک آشکارساز فوتون مانند آنچه که او در Leiden ساخته است در نسل بعدی این کامپیوتر وجود داشته باشد. با این آشکارساز، کامپیوتر کوانتومی به زودی قادر خواهد بود محاسبات را با دقت بیشتری انجام دهد.

پایان نامه: تفکیک عدد فوتون با نانوسیم های ابررسانا

I. S. Kuijf و همکاران، استخراج اطلاعات عدد فوتون از ردیابی آشکارسازهای تک فوتون نانوسیم ابررسانا از طریق طرح ریزی مشتق میانگین، APS Open Science (2026). DOI: 10.1103/dwth-wjtr

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. 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 →