Ολοκληρωμένο κβαντικό κύκλωμα πιο περίπλοκο από ποτέ.

Πειραματική διάταξη

Ερευνητές από το Ηνωμένο Βασίλειο, την Ιαπωνία και την Ολλανδία έχουν κατασκευάσει τα πιο λειτουργικά σύνθετα ολοκληρωμένα κβαντικά κυκλώματα από ένα και μόνο υλικό, ικανό να παράγει φωτόνια και τη διεμπλοκή τους την ίδια στιγμή. Το κύκλωμα αποτελείται από δύο πηγές φωτονίων σε ένα τσιπ πυριτίου που αλληλεπιδρούν κβαντομηχανικά. Οι εφευρέτες του λένε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών και σε πολύπλοκα on-chip πειράματα κβαντικής οπτικής.

Η κβαντική διεμπλοκή είναι στην βάση πολλών αλγορίθμων επεξεργασίας της κβαντικής πληροφορίας και τεχνολογιών. Ωστόσο, για να παρατηρήσουν αυτή τη μοναδική κβαντομηχανική αλληλεπίδραση, τα φωτόνια που χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι δυσδιάκριτα - δηλαδή, θα πρέπει να είναι ταυτόσημα με κάθε δυνατό τρόπο. Επίσης, πρέπει να παράγονται πηγές φωτονίων, κάτι που έχει αποδειχθεί δύσκολο να το κάνουμε στο παρελθόν.

Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Mark Thompson του Πανεπιστημίου του Μπρίστολ στη Βρετανία τώρα έχει καταφέρει να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο και έχει καταφέρει να αξιοποιήσει δύο πανομοιότυπες πηγές φωτονίων σε ένα μόνο τσιπ πυριτίου για πρώτη φορά. "Αυτές οι πηγές παράγουν "διεμπλεγμένο" φως - το οποίο μπορούμε να ελέγξουμε - και κβαντομηχανικά παρεμβαίνει στο ίδιο τσιπ, εξηγεί ο Thompson.

Ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων 

Για τη δημιουργία των φωτονίων στο τσιπ τους, οι ερευνητές άρχισαν με την έγχυση μιας ισχυρής αντλίας υπέρυθρης ακτίνας λέιζερ σε αυτό. Η δέσμη παράγει ζεύγη φωτονίων μέσω μιας μη γραμμικής αλληλεπίδρασης με το υλικό του πυριτίου σε μια διαδικασία που ονομάζεται αυθόρμητη ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων.

Στο εργαστήριο

"Κάναμε ένεση την ακτίνα σε δύο περιοχές στο τσιπ (οι περιοχές αυτές γίνονται στη συνέχεια δύο πηγές) και σε συνδυασμό το κβαντικό φως παράγεται χρησιμοποιώντας ένα στοιχείο διαχωρισμού δέσμης, επίσης, στο τσιπ", δήλωσε το μέλος της ομάδας Josh Silverstone. «Εμείς ακριβώς ελέγχουμε το μήκος της διαδρομής που διανύεται από τα φωτόνια μέσω μιας από τις πηγές με αλλαγή της θερμοκρασίας του ενός από τους δύο κυματοδηγών που περιέχονται στο τσιπ και παρατηρήσαμε κροσσούς κβαντικής συμβολής». Οι κροσσοί αυτοί είναι μια πρότυπη υπογραφή κβαντικής συμβολής δύο φωτονίων, λέει.

Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των κβαντικών φωτονίων πυριτίου είναι ότι αυτές οι δομές μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας μεθόδους, που είναι πολύ παρόμοιοι με εκείνες που χρησιμοποιούνται για να κάνουν σύγχρονη μικροηλεκτρονική CMOS αναφέρει ο Thompson. "Τα συγκεκριμένα κυκλώματα έγιναν από την Toshiba στην Kawasaki, Ιαπωνία, χρησιμοποιώντας πρότυπες τεχνικές κατασκευής πυριτίου, αλλά θα μπορούσαν να έχουν σε γίνει σε κάθε χυτήριο CMOS. Μακροπρόθεσμα, θα μπορούσε ακόμη και να δει κανείς το συνδυασμό κβαντικών φωτονίων και τυποποιημένων ηλεκτρονικών ενσωματωμένα σε ένα μόνο chip."

Καλώς συμφωνημένα

Χάρη στο κύκλωμα της, η ομάδα ήταν σε θέση να εξετάσει την κβαντική συμβολή μεταξύ τις δύο πηγές on-chip φωτονίων για πρώτη φορά. Οι πηγές δείχνουν εξαιρετικά υψηλή κβαντική συμβολή, πράγμα που σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά καλά συμφωνημένα. «Τέτοια καλή αντιστοίχιση είναι μια προϋπόθεση για τη δημιουργία κβαντικο-οπτικού συστήματος μεγαλύτερης κλίμακας », λέει ο Thompson.

Τα μελλοντικά chip

Το κύκλωμα που διατυπώνονται στην παρούσα εργασία θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να εκτελέσει πιο πολύπλοκα on-chip πειράματα κβαντικής οπτικής σε σχέση με αυτά που σε οπτικές ίνες. "Υπάρχουν ακόμα ευρύτερες συνέπειες για το μέλλον, ωστόσο, ότι πολλές πηγές ζεύγους φωτονίων μπορούσαν να συνδυαστούν σε επιμέρους τσιπ πυριτίου και να εργαστούν μαζί σε ένα πολύ αποδοτικό τρόπο", προσθέτει ο Thompson.

Η ομάδα, η οποία περιλαμβάνει ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης στη Σκωτία και το Ινστιτούτο Kavli των νανοεπιστημών στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Delft στην Ολλανδία, σχεδιάζει τώρα να συνδυάσει τα στοιχεία που απαιτούνται για να κάνει πλήρως ολοκληρωμένα φωτονικά κβαντικά συστήματα πληροφοριών σε μία μόνο συσκευή. "Μέχρι στιγμής, έχουμε συνδυασμό κβαντικών πηγών με κβαντικά κυκλώματα, αλλά η επόμενη μεγάλη πρόκληση θα είναι να περιλαμβάνουν μόνο ανιχνευτές φωτονίων και στη συνέχεια, κλιμάκωση σε εκατοντάδες on-chip συστατικών που απαιτούνται για να εκτελούν περίπλοκες εργασίες επεξεργασίας της κβαντικής πληροφορίας με φωτόνια," αποκαλύπτει ο Thompson.

Πηγή, physicsworld.com

Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας