Improving quantum dot based single-photon source with continuous measurements

في السعي لبناء الجيل القادم من الحواسيب، يتطلع العلماء إلى الضوء. فخلافاً للإشارات الكهربائية التي تشغل أجهزتنا الحالية، يمكن لجسيمات الضوء، أو الفوتونات، أن تحمل المعلومات بسرعة مذهلة ودون توليد حرارة. ولجعل هذا الأمر ممكناً، يحتاج الباحثون إلى طريقة لإنتاج هذه الجسيمات واحدة تلو الأخرى، عند الطلب. تخيل آلة تطلق رسولاً واحداً مثالياً في كل مرة تضغط فيها على زر، دون أن ترسل اثنين معاً أبداً ودون أن ترسل لا شيء أبداً. هذا هو الهدف الأسمى لتقنية الكم، وهو أمر ضروري لمهام مثل الاتصالات فائقة الأمان وأنواع جديدة قوية من الحوسبة.

يكمن التحدي في مصدر هذه الجسيمات. وتتضمن إحدى الطرق الواعدة استخدام ذرة صغيرة من مادة شبه موصلة تسمى "النقطة الكمومية"، محتجزة داخل صندوق مرآة مجهري يُعرف باسم "التجويف". ومن خلال ضخ الطاقة في هذه النقطة، يمكن للعلماء إجبارها على إطلاق فوتون. ومع ذلك، فإن العملية فوضوية بطبيعتها؛ لأنه نظراً لأن توقيت دخول الإلكترون إلى النقطة وإعادة اتحاده لإنشاء الضوء هو أمر عشوائي، فإن نهج "الضخ والانتظار" البسيط غالباً ما يفشل. فقد يؤدي ذلك إلى إطلاق لا شيء، أو الأسوأ من ذلك، قد يطلق دفعة من فوتونين أو أكثر في آن واحد. وفي عالم الحوسبة الكمومية الدقيق، يمكن حتى لفوتون إضافي واحد أن يفسد عملية حسابية، مما يجعل موثوقية المصدر عقبة حرجة.

لقد اقترح فريق من الباحثين في جامعة جنوب كاليفورنيا طريقة لترويض هذه العشوائية. فبدلاً من ضخ الطاقة في النقطة الكمومية لمدة زمنية ثابتة، يقترحون مراقبة النقطة عن كثب أثناء عملها وإيقاف الطاقة في اللحظة التي تنتهي فيها المهمة. وتوضح دراستهم، التي تعتمد على المحاكاة الحاسوبية بدلاً من التجارب الفيزيائية، أنه من خلال المراقبة المستمرة لحالة الطاقة في النقطة واستخدام هذه المعلومات لقطع الطاقة فوراً، يمكنهم تعزيز فرصة الحصول على فوتون واحد بالضبط بشكل كبير. وتعد هذه الطريقة فعالة بشكل خاص عندما يتم تغذية الطاقة ببطء، وهو ظرف شائع في الإعدادات الكهربائية التي يسهل دمجها في الرقائق الواقعية.

إن جوهر فكرتهم هو التحول من عملية عمياء إلى عملية موجهة. في الإعداد التقليدي، يتم تشغيل النظام وينتظر المشغل مدة محسوبة مسبقاً قبل إيقافه. يشبه هذا محاولة ملء كوب بالماء من خرطوم يفتح ويغلق بشكل عشوائي؛ إذ يتعين عليك تخمين المدة التي ستضع فيها الكوب تحت التدفق. إذا أمسكت به لفترة طويلة، فسوف يفيض بماء زائد؛ وإذا كان قصيراً جداً، فسيظل فارغاً. وقد أدرك الباحثون أنه إذا تمكنوا من رؤية مستوى الماء يرتفع في الوقت الفعلي، فيمكنهم سحب الكوب بعيداً في اللحظة التي يمتلئ فيها. وفي نموذجهم، تتم عملية "الرؤية" هذه بواسطة كاشف حساس يقيس الشحنة الكهربائية للنقطة الكمومية. فعندما ينفقب (يتسلل) إلكترون إلى النقطة، تتغير الشحنة، ويسجل الكاشف هذا التحول.

باستخدام نموذج رياضي يتتبع احتمالات النتائج المختلفة، قام الباحثون بمحاكاة حلقة التغذية الراجعة هذه. ووجدوا أنه من خلال تحديد عتبة معينة — وهي مستوى إشارة يشير إلى أن النقطة قد وصلت إلى الحالة المثارة الجاهزة لإصدار فوتون — يمكنهم إيقاف مصدر الطاقة فوراً. هذا القاعدة البسيطة، المطبقة باستمرار، تمنع النظام من ضخ طاقة إضافية عن طريق الخطأ مما قد يؤدي إلى فوتونات متعددة. وأظهرت عمليات المحاكاة أن هذا النهج يعمل بشكل أفضل عندما يكون الاتصال بين النقطة والتجويف قوياً، مما يسمح بإطلاق الفوتون بسرعة بمجرد استثارة النقطة. وفي ظل هذه الظروف، حافظت طريقة التغذية الراجعة على معدل أحداث الفوتونات المتعددة غير المرغوب فيها بنسبة تقل عن واحد بالمائة مع الحفاظ على معدل نجاح عالٍ لانبعاث الفوتون الواحد.

كما استكشفت الدراسة كيف تتصرف هذه التقنية تحت سرعات مختلفة لمدخلات الطاقة. فعندما يتم ضخ الطاقة بسرعة كبيرة، يتحرك النظام بسرعة تجعل الكاشف غير قادر على الاستجابة في الوقت المناسب لإيقافه، وتتضاءل فوائد حلقة التغذية الراجعة. ومع ذلك، في النظام الأكثر بطئاً وتحكماً المعتاد في الضخ الكهربائي، تبدو الميزة واضحة. فقد أظهر الباحثون أنه حتى النظام الأساسي، الذي يراقب القياس في لحظة واحدة فقط لاتخاذ قرار بشأن التوقف، يعمل بشكل أفضل بكثير من الطريقة القديمة ذات الحلقة المفتوحة. وهذا يعد اكتشافاً هاماً لأنه يشير إلى أن المعالجة المعقدة في الوقت الفعلي لتاريخ كامل من القياسات ليست ضرورية بالضرورة لملاحظة تحسن كبير. فمجرد رد فعل سريع وبسيط للحالة الحالية يكفي لإحداث فرق.

ومن أكثر جوانب هذا الاقتراح عملية هو توافقه مع الضخ الكهربائي. وبينما يعد الضخ الضوئي، الذي يستخدم الليزر، أسهل للدراسة في المختبر، إلا أنه من الصعب توسيع نطاقه للإنتاج الضخم. أما الضخ الكهربائي، الذي يستخدم الجهد لدفع الإلكترونات إلى النقطة، فهو الأنسب لبناء دوائر كمومية واسعة النطاق. وقد لاحظ الباحثون أن الضخ الكهربائي غالباً ما يتضمن تفاعلات أضعف بين النقطة والتجويف، وهو سيناريو تتألق فيه تقنية التغذية الراجعة الخاصة بهم. فمن خلال إيقاف الضخ في اللحظة التي تصبح فيها النقطة جاهزة، يتجنبون عدم اليقين في التوقيت والأخطاء التي تعيق عادةً هذه الأنظمة الأبطأ. وقد أكدت عمليات المحاكاة أن هذه الطريقة يمكنها الحفاظ على احتمال عالٍ لانبعاث الفوتون الواحد حتى عندما لا يكون الربط بين النقطة والتجويف مثالياً.

لقد كان الباحثون حذرين في الإشارة إلى حدود نتائجهم. إن عملهم عبارة عن محاكاة، وهي استكشاف رياضي مفصل لكيفية "سلوك" النظام تحت هذه القواعد المحددة. هم لم يبنوا الجهاز ولم يقيسوا الفوتونات في مختبر. ومع ذلك، فإن النموذج الذي استخدموه يعتمد على مبادئ فيزيائية راسخة، بما في ذلك القوانين التي تحكم كيفية تفاعل الضوء والمادة في المساحات الصغيرة. وقد استبعدوا صراحةً فكرة أن هذه الطريقة ستعمل بنفس الكفاءة في جميع الحالات؛ ففي الحالات التي يتم فيها ضخ الطاقة بسرعة هائلة أو عندما يكون الاتصال بين النقطة والتجويف ضعيفاً جداً، يكون التحسن مقارنة بالطريقة التقليدية ضئيلاً. هذه التقنية ليست حلاً سحرياً لكل مشكلة، بل هي أداة مستهدفة لفئة محددة وصعبة من المصادر الكمومية.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل مساراً جديداً نحو إنشاء مصادر فوتونات فردية موثوقة. فمن خلال استبدال عملية زمنية جامدة بعملية استجابية قائمة على الملاحظة، أظهر الباحثون أنه من الممكن استخراج أداء أكبر من تصميمات الأجهزة الحالية. المفتاح هو أن الإدراك في عالم الكم، أن تعرف متى تتوقف، لا يقل أهمية عن معرفة متى تبدأ. وبينما ينتقل المجال نحو بناء حواسيب كمومية وظيفية، ستكون التقنيات التي يمكنها ضمان نقاء وموثوقية الضوء المستخدم لنقل المعلومات أمراً حيوياً. وتشير هذه الدراسة إلى أنه بمجرد مراقبة العملية والاستجابة فوراً، يمكننا جعل الضوء يتصرف تماماً كما نحتاج إليه، محولين عملية طبيعية فوضوية إلى أداة تكنولوجية دقيقة.