Η πηγή ενός φωτονίου οδηγεί σε κέρδη για το κβαντικό διαδίκτυο

By | January 10, 2024

Η παραγωγή φωτονίων ένα κάθε φορά κατόπιν ζήτησης σε θερμοκρασία δωματίου είναι μια βασική προϋπόθεση για την ανάπτυξη ενός κβαντικού Διαδικτύου και των πρακτικών κβαντικών υπολογιστών που θα υποστήριζαν αυτό το δίκτυο. Τα φωτόνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κβαντικά bit (qubits), το κβαντικό ισοδύναμο των 0 και 1 των κλασικών υπολογιστών. Εργαστήρια σε όλο τον κόσμο έχουν αναπτύξει διάφορες μεθόδους για την παραγωγή μεμονωμένων φωτονίων, αλλά μπορούν να περιλαμβάνουν πολύπλοκες τεχνικές μηχανικής όπως νανοσωλήνες άνθρακα ή δαπανηρές κρυογονικές συνθήκες ψύξης. Από την άλλη πλευρά, λιγότερο περίπλοκες τεχνικές, όπως η χρήση παραδοσιακών πηγών φωτός, δεν παρέχουν το απαραίτητο επίπεδο ελέγχου των εκπομπών ενός φωτονίου που απαιτείται για κβαντικά δίκτυα και υπολογιστές.

Τώρα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης του Τόκιο (TUS) και το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα συνεργάστηκαν για να αναπτύξουν μια πρωτότυπη πηγή φωτός ενός φωτονίου σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας πρότυπα υλικά και μεθόδους. Η ομάδα περιέγραψε την κατασκευή του πρωτοτύπου και τα αποτελέσματά του σε ένα πρόσφατο τεύχος του περιοδικού Εφαρμοσμένη φυσική εξέταση.

«Η πηγή φωτός μας ενός φωτονίου… αυξάνει τη δυνατότητα δημιουργίας κβαντικών δικτύων – ενός κβαντικού Διαδικτύου – που είναι οικονομικά αποδοτικά και προσβάσιμα».
—Καόρου Σανάκα, Πανεπιστήμιο Επιστημών του Τόκιο

Ο πομπός περιλαμβάνει μια εμπορικά διαθέσιμη άμορφη οπτική ίνα πυριτίου προ-ενσωματωμένη με οπτικά ενεργά ιόντα υττερβίου σπανίων γαιών (RE). Με άλλα λόγια, το καλώδιο είναι σχετικά συνηθισμένο για μια ντοπαρισμένη γραμμή οπτικών ινών. Η διαφορά εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της κατασκευής, όταν οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια συμβατική διαδικασία που ονομάζεται θερμότητα και έλξη, που περιλαμβάνει, όπως υποδηλώνει το όνομα, θέρμανση και τέντωμα της γραμμής σαν τάφι. Ωστόσο, μετά τη θέρμανση, χρησιμοποίησαν έναν προγραμματιζόμενο βηματικό κινητήρα για να τραβήξουν την ίνα, μειώνοντας σταδιακά τη διάμετρο του πυρήνα της και δημιουργώντας ένα ελεγχόμενο κωνικό.

«Η πηγή φωτός ενός φωτονίου μας είναι φθηνή, λιγότερο τεχνικά πολύπλοκη και μπορεί να κατασκευαστεί σε θερμοκρασία δωματίου», εξηγεί ο Kaoru Sanaka, αναπληρωτής καθηγητής στο TUS, ο οποίος ηγήθηκε της ομάδας ερευνητών. «Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για ακριβά συστήματα ψύξης και αυξάνει τη δυνατότητα δημιουργίας κβαντικών δικτύων – ενός κβαντικού διαδικτύου – που να είναι οικονομικά και προσβάσιμα». »

Ο Kaoru λέει ότι σε συμβατικές προσεγγίσεις, όπως η κατασκευή ενός πομπού κβαντικής κουκκίδας ενός φωτονίου, τα κβαντικά σωματίδια ενσωματώνονται στο εξωτερικό μιας κωνικής ίνας. Αλλά επίσης εμποδίζει την αποτελεσματική σύλληψη και καθοδήγηση φωτονίων που εκπέμπονται μέσω της εσωτερικής οπτικής λειτουργίας της ίνας, γνωστή και ως αποτελεσματικότητα διοχέτευσης, ο μηχανισμός με τον οποίο τα φωτόνια συνδέονται και διοχετεύονται μέσω της ίνας ανάλογα με τη δομή της ίνας. Αντίθετα, τα ιόντα RE ενσωματώνονται και ευθυγραμμίζονται μέσα στον πυρήνα της ίνας κατά την κατασκευή, γεγονός που βελτιστοποιεί τη δομική σύλληψη και τη διοχέτευση φωτονίων.

«Η αποτελεσματικότητα της διοχέτευσης φωτονίων που εκπέμπονται από τον πυρήνα της οπτικής ίνας στην καθοδηγούμενη από ίνα λειτουργία καθορίζεται απλώς από τον δείκτη διάθλασης της ίνας», εξηγεί ο Sanaka, αναφερόμενος στη μέτρηση της επιβράδυνσης του φωτός κατά τη διέλευση του. εξοπλισμός. «Ενώ η αποτελεσματικότητα της διοχέτευσης φωτονίων που εκπέμπονται από εξωτερικά ενσωματωμένους πομπούς περιορίζεται από το μέγεθος του πυρήνα της ίνας και το μήκος κύματος των εκπεμπόμενων φωτονίων».

Η διαδικασία μείωσης θερμότητας και έλξης επεκτείνει την απόσταση μεταξύ μεμονωμένων ιόντων υττερβίου και τα μετατρέπει αποτελεσματικά σε εκπομπούς μεμονωμένων φωτονίων.

Η μέση απόσταση μεταξύ των διαχωρισμένων ιόντων «πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το όριο της οπτικής περίθλασης, το οποίο καθορίζεται από το μήκος κύματος των εκπεμπόμενων φωτονίων, ή περίπου ένα μικρό», εξηγεί ο Sanaka. «Η μέση απόσταση περίπου 30 μικρών μεταξύ κατανεμημένων μεμονωμένων ατόμων RE [shown in the illustration above] είναι πολύ πάνω από το όριο της οπτικής περίθλασης. Είναι επομένως δυνατό να εξαχθούν τα φωτόνια που εκπέμπονται από κάθε χωρικά απομονωμένο ιόν RE.

Για να επιβεβαιώσουν τη φύση των φωτονίων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική μέτρησης που ονομάζεται αυτοσυσχέτιση. Το μέτρο αυτοσυσχέτισης είναι μια μαθηματική και στατιστική τεχνική που χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της ομοιότητας μεταξύ ενός σήματος και της εκδοχής του με καθυστέρηση. Αυτό βοηθά τους ερευνητές να κατανοήσουν τα χρονικά μοτίβα των εκπεμπόμενων φωτονίων και να επαληθεύσουν ότι το εκπεμπόμενο φως προέρχεται από μεμονωμένες πηγές.

Για την πρόκληση εκπομπών, ένα λέιζερ παλμικού συνεχούς κύματος συνδέεται απευθείας με την ίνα. Επί του παρόντος, ο χρονισμός της εκπομπής ενός πομπού περιορίζεται από τον χρόνο ακτινοβολίας που καθορίζεται από την αυθόρμητη εκπομπή του ιόντος, που είναι περίπου 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου.

Ο Igor Aharonovich, από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Σίδνεϊ και επικεφαλής ερευνητής στο ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, λέει ότι η προσέγγιση της ιαπωνικής ομάδας έχει δοκιμαστεί στο παρελθόν, αλλά οι προηγούμενες προσπάθειες δεν μπορούσαν να επεκταθούν. “Ενώ η ενσωμάτωση ενός συστήματος που είναι γνωστό ως στοιχείο σπάνιων γαιών στην ίνα είναι μια ενδιαφέρουσα προσέγγιση”, λέει, “δεν δημιουργεί εγγενώς έναν καλύτερο εκπομπό φωτονίου. Θα μπορούσε κανείς πρώτα να σκεφτεί να βρει τον πιο φωτεινό διαθέσιμο πομπό και μετά να τον ενσωματώσει αξιόπιστα σε η ίνα.

Σε απάντηση, ο Sanaka λέει ότι η δοκιμή άλλων στοιχείων RE είναι στην ημερήσια διάταξη, με το επόμενο να είναι η ίνα με πρόσμειξη ερβίου, η οποία είναι επίσης διαθέσιμη στο εμπόριο. Οι ερευνητές εργάζονται επίσης για να αυξήσουν την ποσότητα των φωτονίων που εκπέμπονται και να βελτιώσουν την ποιότητα και την ταχύτητα εκπομπής τους. Για να γίνει αυτό, πρέπει να αναπτύξουν κοιλότητες σε μικρο ή νανο κλίμακα. Οι κοιλότητες είναι μικροσκοπικοί χώροι που δημιουργούνται κοντά ή πάνω στην επιφάνεια των εκπομπών που λειτουργούν ως συντονιστές για τα φωτόνια, με αποτέλεσμα μια πιο ελεγχόμενη και συγκεντρωμένη απελευθέρωση φωτός. Τέτοιες κοιλότητες θα χρησιμοποιηθούν επίσης για τη βελτίωση της δυσδιάκρισης των εκπεμπόμενων φωτονίων, δηλαδή του βαθμού ομοιότητάς τους σε ιδιότητες όπως η πόλωση και η συχνότητα. Αυτό θα σηματοδοτούσε ένα κρίσιμο βήμα στη δημιουργία μπερδεμένων ζευγών φωτονίων που απαιτούνται για την υλοποίηση κβαντικών εφαρμογών όπως οι κβαντικές επικοινωνίες και οι κβαντικοί υπολογισμοί.

«Συνδυάζοντας επιτυχώς τις κοιλότητες με τους εκπομπούς μας», εξηγεί ο Sanaka, «μπορεί τότε να μπορέσουμε να εξετάσουμε την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας».

Από τα άρθρα στον ιστότοπό σας

Σχετικά άρθρα στον Ιστό

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *