پژوهشگران در سراسر جهان سال‌هاست که به دنبال تحقق وعده درهم‌تنیدگی کوانتومی در یک دستگاه هستند.
این مفهوم که اغلب به “عمل دوردست مرموز” معروف است، زمانی اتفاق می‌افتد که دو ذره به‌طور شدیدی به یکدیگر متصل می‌شوند، به‌طوری که تغییر حالت یکی بلافاصله حالت دیگری را تغییر می‌دهد – حتی اگر این دو ذره هزاران مایل از یکدیگر فاصله داشته باشند.
دانشمندان اولین‌بار این ایده را در سال ۱۹۳۵ مطرح کردند و این موضوع باعث ایجاد بحث‌های داغی در جامعه فیزیک شد.
بزرگ‌ترین مشکل برای دستگاه‌های کوانتومی
روش‌های تحقیقاتی کلاسیک نشان دادند که تولید فوتون‌های درهم‌تنیده معمولاً به کریستال‌های بزرگ و مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد. سیستم‌های کوچکتر و کارآمدتر مدت‌ها به‌عنوان نوعی جام مقدس برای مهندسان دستگاه‌های کوانتومی شناخته می‌شدند.
بسیاری بر این باور بودند که رویکردی سبک‌تر و جمع‌وجورتر ممکن است فرصتی واقعی برای ارتباطات و محاسبات کوانتومی فراهم کند.
با این حال، چالش‌های طراحی همچنان افزایش می‌یافت و متخصصان تلاش می‌کردند که اجزای لازم را به اندازه کافی کوچک کنند تا بر روی یک تراشه جا بگیرند.
پروفسور پی. جیمز شاک، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه کلمبیا، کمک کرد تا تلاش جدیدی برای غلبه بر این موانع هدایت شود.
او و همکارانش یک منبع جدید برای تولید جفت فوتون‌های درهم‌تنیده ایجاد کردند که از مدل‌های قبلی کارآمدتر است و در عین حال فضای کمتری را اشغال می‌کند.
مقاله آنها که در نشریه Nature Photonics منتشر شده، روشی را نشان می‌دهد که مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و در عین حال همه چیز را در دستگاهی با ضخامت تنها ۳.۴ میکرومتر فشرده می‌کند.
نگاهی دقیق‌تر به مواد ون در والس
دستگاه کوانتومی نوآورانه بر اساس یک لایه از شش قطعه کریستالی فوق‌العاده نازک ساخته شده از مولیبدن دی‌سولفید است. پژوهشگران هر قطعه را ۱۸۰ درجه نسبت به لایه‌های بالایی و پایینی آن چرخاندند.
آنها از رویکردی به نام «مقایسه مرحله‌ای شبه» استفاده کردند که ویژگی‌های نور را به‌گونه‌ای تغییر می‌دهد که امکان ایجاد فوتون‌های جفت‌شده را فراهم می‌کند.
دانشمندان سال‌هاست که از مقایسه مرحله‌ای شبه استفاده می‌کنند، اما روی آوردن به نیمه‌هادی‌های ون در والس برای این فرایند، اقدامی جسورانه بود، زیرا این مواد می‌توانند قابلیت‌های نوری شگفت‌انگیزی را در فضایی فوق‌العاده فشرده بسته‌بندی کنند.
حل تداخل در لایه‌های کوچک
چرخاندن دوره‌ای هر قطعه کریستال، مشکل تداخل کلاسیکی را حل می‌کند.
وقتی امواج نور در جهت‌های یکسان در مواد خاص حرکت می‌کنند، شروع به لغو یکدیگر می‌کنند که این عملکرد را محدود می‌کند.
این ترفند چرخش دوره‌ای امواج را کنترل می‌کند و سیگنال‌های مورد نظر را حفظ می‌کند.
شاک می‌گوید: “این کار نشان‌دهنده تجسم هدف طولانی‌مدت برای پیوند دادن اپتیک نانومتریک و کوانتومی است.”
دستگاه درهم‌تنیدگی کوانتومی
جفت‌های فوتون درهم‌تنیده بلوک‌های ساختمانی اساسی بسیاری از سیستم‌های کوانتومی هستند.
مهندسان به آنها برای رمزنگاری، برنامه‌های حسگری، و ایجاد کیوبیت‌ها برای محاسبات کوانتومی متکی هستند. تولیدکننده‌های کوچکتر که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، می‌توانند به‌معنای سیستم‌های جمع‌وجورتر باشند.
شاک اظهار داشت: “این نوآوری‌ها تأثیر فوری در زمینه‌هایی چون توزیع ماهواره‌ای و ارتباطات کوانتومی تلفن همراه خواهند داشت.” او و تیمش پیش‌بینی می‌کنند که این فناوری امکانات گسترده‌ای خواهد داشت.
دستگاه‌های ساده‌ای که فوتون‌های درهم‌تنیده را در طول‌موج‌های مخابراتی تولید می‌کنند، می‌توانند انقلاب بزرگی در رمزنگاری، کنفرانس‌های تلفنی و انتقال داده‌های مقیاس بزرگ ایجاد کنند. توزیع کلید کوانتومی می‌تواند ارزان‌تر و ایمن‌تر شود.
برخی از آرایه‌های حسگری ممکن است سرعت و حساسیت بیشتری پیدا کنند اگر جفت‌های درهم‌تنیده سریع‌تر برسند و انرژی کمتری مصرف کنند.
تحقیقات تیم نشان می‌دهد که یک سیستم ون در والس می‌تواند این تقاضاها را بدون محدودیت‌های اندازه یا انرژی دستگاه‌های قدیمی برآورده کند.
یک گام به سوی یکپارچگی روی تراشه
آوردن منابع نور کوانتومی به یک تراشه سیلیکونی مانند تراشه کوانتومی Willow گوگل می‌تواند چهره محاسبات و مخابرات را تغییر دهد. این دستگاه جدید به پتانسیل مدارهای یکپارچه‌ای که سیگنال‌های کوانتومی را پردازش می‌کنند، اشاره دارد.
شاک در پایان اعلامیه اخیر خود گفت: “این دستگاه بنیان‌گذار دستگاه‌های یکپارچه و مقیاس‌پذیر روی تراشه است، مانند تولیدکننده‌های فوتون جفت‌شده میکروسکوپی قابل تنظیم.”
کوچکتر و کارآمدتر کردن همه چیز، زمینه‌ساز طراحی‌های تجاری آینده، از جمله دستگاه‌های کوانتومی قابل حمل خواهد بود.
تحقیقات آینده
تمایل فزاینده‌ای برای توسعه اجزای کوانتومی روی تراشه وجود دارد که بیشتر از فقط تولید جفت‌های فوتون عمل کنند. در آینده، تنظیمات یکپارچه ممکن است شامل آشکارسازهای فوتون، مدولاتورها و اجزای حافظه باشند.
در آن زمان، سیستم‌ها ممکن است برای تولید انبوه آسان‌تر شوند. صنایع مختلف ممکن است آنها را برای امنیت شبکه، تشخیص‌های پیشرفته یا ارتباطات بلندمدت تقریباً آنی تطبیق دهند.
با این گام، پژوهشگران ایده‌ای را پیش می‌برند که معماری‌های کوانتومی بالاخره می‌توانند به جریان اصلی راه یابند.
دستگاه‌های ساده و قابل حمل کوانتومی
رقابت برای تبدیل ابزارهای تحقیقاتی بزرگ و سنگین به ابزارهای ساده و قابل اعتماد آغاز شده است.
به مرور زمان، گروه‌های خارج از آزمایشگاه‌های تخصصی ممکن است حسگرهای کوانتومی را برای تصویربرداری پزشکی، نظارت محیطی و سایر کاربردها به کار گیرند.
مهندسی پشت این کریستال‌های انباشته هنوز جدید است، اما نتایج اولیه انتظارات خوشبینانه‌ای را به‌وجود آورده است. با کنار گذاشتن محدودیت‌های قدیمی اندازه و انرژی، تیم مسیری را ترسیم کرده است که بسیاری دیگر ممکن است به زودی دنبال کنند.
این مطالعه در نشریه Nature Photonics منتشر شده است.
