Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe$_2$ quantum emitters

يعتمد مستقبل الاتصالات فائقة الأمان والحوسبة القوية على نوع محدد للغاية من الضوء: الفوتونات المنفردة. هذه هي جسيمات الضوء الفردية التي يمكنها حمل المعلومات دون الضجيج والتداخل الذي يعيق الإشارات التقليدية. ولكي تعمل هذه الأنظمة عبر مسافات طويلة، يجب أن تكون الفوتونات غير متمايزة، مما يعني أنها متطابقة في كل شيء، مثل عملتين معدنيتين صُكتا من نفس القالب تماماً في اللحظة ذاتها. وإذا اختلفت ولو قليلاً، فإن التأثيرات الكمومية الدقيقة اللازمة لهذه التقنيات تنهار. وبينما وجد العلماء طرقاً لإنشاء هذه الفوتونات المنفردة، فقد ثبت أن القيام بذلك عند الأطوال الموجية المستخدمة في شبكات الاتصالات العالمية أمر صعب. إذ تعمل معظم المصادر الموجودة حالياً بترددات الضوء المرئي، والتي تُمتص بسرعة في كابلات الألياف الضوئية، مما يجعلها غير مناسبة للسفر لمسافات طويلة. وقد بحث العلماء عن مادة يمكنها توليد هذه الفوتونات المثالية والمتطابقة عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة المستخدمة في الإنترنت، لكن العثور على مصدر يتسم بالموثوقية والجودة العالية ظل يمثل عقبة كبيرة.

لقد أظهر فريق من الباحثين في الجامعة التقنية في الدنمارك الآن طريقة جديدة لإنشاء هذه الجسيمات الضوئية المراوغة باستخدام مادة تسمى "ثنائي ديتيلورايد الموليبدينوم" (molybdenum ditelluride). هذه المادة عبارة عن بلورة ثنائية الأبعاد، مما يعني أنها بسمك بضعة ذرات فقط، وهي تنبعث منها الضوء طبيعياً في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو أقرب بكثير إلى الأطوال الموجية المستخدمة في الاتصالات من المواد الأخرى. كان التحدي يكمكمن في أنه بينما يمكن لهذه المادة أن تبعث الضوء، إلا أن الفوتونات التي تنتجها كانت عادةً "فوضوية"، بألوان وتوقيتات متفاوتة تجعل من المستحيل استخدامها في المهام الكمومية المتقدمة. وقد سعى الباحثون لإصلاح ذلك من خلال إنشاء بيئة محكومة حيث يمكنهم إجبار المادة على إصدار فوتونات مثالية ومتطابقة عند الطلب.

ولتحقيق ذلك، بنى الفريق منصة متخصصة لبلوراتهم. بدأوا بسطح يشبه المرآة مصمم ليعكس الضوء ذهاباً وإياباً، مما يزيد من كمية الضوء التي يمكن جمعها. وفوق هذا السطح، وضعوا أعمدة صغيرة تشبه النجوم مصنوعة من راتنج صلب. وعندما نقلوا رقاقة رقيقة من "ثنائي ديلورايد الموليبدينوم" فوق هذه الأعمدة، انثنت المادة وتجعدت طبيعياً حول النقاط الحادة. خلقت هذه التجاعيد مناطق من الإجهاد الفيزيائي المكثف داخل البلورة. ثم استخدم الباحثون حزمة مركزة من الإلكترونات لإنشاء عيوب دقيقة ومحددة في هذه المناطق المجهدة. عمل هذا المزيج من الإجهاد الفيزيائي والضرر على المستوى الذري كفخ، حيث حصر الطاقة داخل البلورة في نقطة صغيرة حيث يمكنها إطلاق فوتون منفرد.

كانت النتائج تحسناً كبيراً مقارنة بالمحاولات السابقة مع هذه المادة. وجد الفريق أن هذه البواعث الهندسية تنتج ضوءاً في نطاق محدد جداً من الأطوال الموجية، بين 1090 و1200 نانومتر، وهو ما يقع في جزء الأشعة تحت الحمراء القريبة من الطيف. وكان الضوء المنبعث مستقطباً بشكل عالٍ، مما يعني أن موجات الضوء تهتز في اتجاه واحد ثابت، وهي علامة على وجود مصدر محكوم جيداً. والأهم من ذلك، أن الفوتونات انبعثت بسرعة كبيرة، مع عمر زمني يتراوح بين 130 إلى 450 بيكوثانية، أي جزء من تريليون من الثانية. هذه السرعة حاسمة لأنها تقلل من الوقت الذي يقضيه الفوتون في التفاعل مع بيئته ويصبح "فوضوياً".

ولإثبات أن هذه كانت حقاً فوتونات منفردة وليست مجرد ضوء خافت، قام الباحثون بقياس كيفية سلوك الفوتونات عند وصولها إلى الكاشف. ووجدوا أن الفوتونات تصل واحداً تلو الآخر، مع احتمالية منخفضة جداً لوصول اثنين في نفس الوقت. ومن خلال ضبط طريقة إثارة المادة باستخدام الليزر بعناية، تمكنوا من تقليل الضوضاء الخلفية إلى لا شيء تقريباً، مما أدى إلى مستوى نقاء حيث كانت فرصة ظهور فوتون ثانٍ أقل من واحد بالمائة. كما اكتشفوا أنه من خلال تطبيق جهد كهربائي صغير على الجهاز، يمكنهم تغيير لون الضوء المنبعث بمقدار صغير ولكن مفيد. هذه القدرة على الضبط ضرورية لمطابقة ألوان البواعث المختلفة لكي تعمل معاً في شبكة أكبر.

كان الاختبار الأكثر حرجاً لهذه المصادر هو معرفة ما إذا كانت الفوتونات غير متمايزة. أجرى الباحثون تجربة حيث تم إرسال فوتونين من المصدر ليلتقيا عند مقسم شعاعي. إذا كانت الفوتونات متطابقة، فسوف تتداخل مع بعضها البعض بطريقة معينة، مما يؤدي إلى خروجهما معاً بدلاً من خروجهما بشكل منفصل. لاحظ الفريق هذا التداخل، مما أكد أن الفوتونات كانت بالفعل غير متمايزة. ورغم أن التأثير لم يكن مثالياً، إلا أنه كان الأقوى الذي تم قياسه على الإطلاق لهذا النوع من المواد. ومن خلال تصفية البيانات للنظر فقط في اللحظات الأكثر نقاءً، حققوا مستوى من عدم التمايز لم يتم الوصول إليه من قبل باستخدام ثنائي ديلورايد الموليبدينوم.

يمثل هذا العمل نقطة تحول في استخدام البلورات ثنائية الأبعاد في التكنولوجيا الكمومية. فهو يوضح أنه من خلال الجمع بين الإجهاد الفيزيائي، وإنشاء العيوب الدقيقة، والتحكم الكهربائي، يمكن للعلماء تحويل مادة صعبة إلى مصدر موثوق للفوتونات المنفردة. إن القدرة على ضبط الانبعاث وتحقيق نقاء عالٍ تشير إلى أن هذه المصادر يمكن أن تُدمج في نهاية المطاف في شبكات الألياف الضوئية الموجودة التي تدعم الإنترنت. وبينما لا تصل الأجهزة الحالية بعد إلى الأطوال الموجية الدقيقة المستخدمة للاتصالات بعيدة المدى، فإن المسار نحو المستقبل واضح. فمن خلال تعديل سمك المادة وتحسين عملية التصنيع، يمكن لهذه البواعث أن تصبح قريباً مكوناً قياسياً في الجيل القادم من أنظمة الاتصالات الكمومية، مما يقرب وعد الشبكات غير القابلة للاختراق والحواسيب الكمومية القوية من الواقع.