Periodically poled thin-film lithium niobate ring Mach Zehnder coupling interferometer as an efficient quantum source of light
تقترح هذه الورقة مقياس تداخل "ماخ-زيندر" حلقي متماثل يستخدم دليل موجي من نيوبات الليثيوم ذو استقطاب دوري، والذي يتوافق مع تقنيات التصنيع الحالية، ويولد بكفاءة ضوءاً مضغوطاً قابلاً للضبط يتجاوز -12 ديسيبل وفوتونات منفردة عالية النقاء بكفاءة إعلان تقترب من الوحدة باستخدام قدرات ضخ تقل عن الميلي واط.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في سعيها لبناء نوع جديد من الحواسيب التي تعمل وفق قوانين ميكانيكا الكم، يتجه العلماء نحو الضوء. فخلافاً للحواسيب التقليدية التي تستخدم المفاتيح الكهربائية لمعالجة المعلومات، تعتمد هذه الآلات المستقبلية على جسيمات الضوء الفردية، التي تسمى الفوتونات، للقيام بالحسابات ونقل البيانات. ولكي يصبح هذا التصور حقيقة واقعة، يحتاج المهندسون إلى نوعين محددين للغاية من مصادر الضوء. الأول هو آلة يمكنها إطلاق فوتونات مفردة عند الطلب، واحداً تلو الآخر، بتوقيت مثالي وبدون ضوضاء إضافية. والثاني هو مصدر ينتج "الضوء المعتصر" (squeezed light)، وهو حالة خاصة حيث يتم تقليل عدم اليقين في خصائص الضوء دون الحد الطبيعي، وهي ميزة أساسية لفرع مختلف من الحوسبة الكمومية والاستشعار فائق الحساسية. ويكمن التحدي في إنشاء جهاز واحد يمكنه القيام بكلتا المهمتين بكفاءة، وباستهلاك طاقة منخفض، وفي تنسيق صغير بما يكفي ليتناسب مع شريحة حاسوبية.
لقد اقترح فريق من الباحثين في مختبرات نوكيا بيل (Nokia Bell Labs) تصميماً يلبي هذه المتطلبات الصارمة من خلال دمج مفهومين بصريين كلاسيكيين في بنية واحدة قابلة للضبط. يصف الباحثون جهازاً مبنياً من طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم (lithium niobate)، وهو بلورة معروفة بقدرتها على التحكم في الضوء، وقد تم تشكيلها على هيئة رنان حلقي (ring resonator). هذا الرنان متصل بمداخل ميز-زيه-راو (Mach-Zehnder interferometer)، وهو نظام يقسم الضوء إلى مسارين ثم يعيد دمجهما. ويكمن الابتكار الرئيسي في كيفية استخدام الباحثين للحرارة للتحكم في الجهاز؛ فمن خلال وضع سخانات صغيرة على الشريحة، يمكنهم ضبط درجة حرارة مسارات الضوء بدقة. يتيح لهم هذا الضبط الحراري تغيير كيفية دخول الضوء وخروجه من الحلقة دون الحاجة إلى تعديل هيكل الشريحة مادياً. هذه المرونة أمر بالغ الأهمية لأنها تسمح لهم بتحسين الجهاز لأداء مهمتين مختلفتين تماماً: توليد الضوء المعتصر وإنتاج الفوتونات المفردة.
عندما قام الباحثون بمحاكاة سلوك هذا الجهاز، وجدوا أنه يمكن أن يعمل كمحرك عالي الكفاءة لتوليد الضوء المعتصر. فمن خلال ضخ شعاع ليزر في الجهاز عند طول موجي محدد، أظهروا أن الحلقة يمكنها إنتاج حالة من الضوء حيث يتم كبت الضجيج في خاصية واحدة. وتشير حساباتهم إلى أنه باستخدام كمية ضئيلة جداً من طاقة الضخ، أقل من ميلي واط واحد، يمكن للجهاز تحقيق مستوى عصر يصل إلى ناقص 12 ديسيبل. وتعد هذه نتيجة هامة لأن المحاولات السابقة لإنشاء مثل هذا الضوء على شريحة غالباً ما تطلبت طاقة أعلى بكثير أو نتجت عن جودة أقل. علاوة على ذلك، يسمح التصميم لهم بضبط الجهاز للوصول إلى مستويات أعلى من العصر، تصل إلى ناقص 19 ديسيبل، إذا كانوا مستعدين لاستخدام طاقة أكبر قليلاً. إن القدرة على القيام بذلك باستهلاك منخفض للطاقة أمر حيوي، لأنه يعني أن الجهاز يمكن تشغيله بواسطة ليزرات صغيرة على الشريحة بدلاً من معدات خارجية ضخمة.
كما أثبت الجهاز نفسه قدرته على توليد الفوتونات المفردة، والتي تعد اللبنات الأساسية للحوسبة الكمومية البصرية الخطية. وللقيام بذلك، قام الباحثون بمحاكاة عملية ينقسم فيها فوتون من شعاع الضخ إلى زوج من الفوتونات داخل الحلقة؛ حيث يعمل أحد الفوتونات كإشارة (signal)، بينما يعمل الآخر كإعلان (herald)، ليعلن عن إنشاء فوتون الإشارة. ووجد الفريق أنه من خلال الضبط الدقيق لدرجة حرارة المداخل، يمكنهم ضمان وصول كفاءة الإعلان (heralding efficiency) — وهي احتمالية وجود فوتون مُعلن عنه بالفعل — إلى 94 إلى 99 بالمائة. هذه الكفاءة العالية ضرورية لضمان عدم إضاعة الحاسوب الكمومي للوقت في انتظار فوتونات لا تصل أبداً. ومع ذلك، فإن مشكلة شائعة في مثل هذه الأنظمة هي أن الفوتونات غالباً ما تكون "غير نقية"، مما يعني أنها متشابكة مع خصائص أخرى بطريقة تفسد فائدتها للحسابات المعقدة.
ولحل مشكلة النقاء، اقترح الباحثون تعديلاً ذكياً لطريقة ضخ الجهاز. فبدلاً من استخدام نبضة واحدة مستمرة من الضوء، قاموا بمحاكاة استخدام نبضتين قصيرتين يفصل بينهما جزء ضئيل من الثانية. سمح هذا النهج القائم على النبض المزدوج بكسر الروابط غير المرغوب فيها بين الفوتونات، مما أدى إلى نقاء يصل إلى 99 بالمائة مع الحفاظ على كفاءة الإعلان العالية. ورغم أن هذه الطريقة بدت في البداية وكأنها تقلل من معدل توليد الفوتونات، إلا أن الباحثين أشاروا إلى أن هذا الفقد يمكن استعادته بسهل عبر زيادة بسيطة في ذروة طاقة نبضات الضخ. وتشير عمليات المحاكاة إلى أنه باستخدام معدل تكرار ومدة نبضة قياسي، يمكن لزيادة متواضلة في الطاقة أن تستعيد معدل التوليد إلى مستويات مقاربة للطرق الأقل نقاءً.
يعتمد التصميم المقترح كلياً على مواد وتقنيات تصنيع متوفرة اليوم. إن استخدام طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم وسخانات حرارية قياسية يعني أنه يمكن تصنيع هذا الجهاز باستخدام العمليات الصناعية الحالية، مما يجعله خطوة عملية للأمام وليس مجرد فضول نظري. ومن خلال إثبات أن رناناً حلقياً واحداً قابلاً للضبط يمكنه إنتاج كل من الضوء المعتصر عالي الجودة والفوتونات المفردة النقية، قدم الباحثون حلاً عاماً لأهم احتياجين في الحوسبة الكمومية الضوئية. ويشير عملهم إلى أن الطريق نحو حواسيب كمومية قابلة للتوسع قد لا يتطلب مواد جديدة تماماً أو إنجازات هندسية مستحيلة، بل يتطلب التحكم الذكي والدقيق في الضوء داخل شريحة تقع بالفعل في متناول اليد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.