Narrowband and high-rate entangled photon-pair generation from a high-Q silicon microring resonator

في السعي لبناء إنترنت مستقبلي آمن بشكل جوهري، يتجه العلماء نحو القواعد الغريبة لميكانيكا الكم. وفي قلب هذه التكنولوجيا توجد أزواج متشابكة من جسيمات الضوء، المعروفة باسم الفوتونات. عندما يتشابك فوتونان، يتشاركان في رابط عميق حيث تؤثر حالة أحدهما فورياً على الآخر، بغض النظر عن مدى بعدهما عن بعضهما البعض. هذه الظاهرة هي المحرك للاتصالات الكمومية، مما يسمح بإرسال المعلومات بطرق يستحيل نظرياً اعتراضها دون اكتشاف ذلك. ومع ذلك، لكي تعمل هذه الشبكات الكمومية عبر مسافات طويلة، يجب تخزين جسيمات الضوء في مواد خاصة تسمى الذاكرات الكمومية. تعمل هذه الذاكرات مثل خزائن صغيرة، لكنها انتقائية للغاية: فهي لا تستطيع إلا احتواء الضوء الذي يهتز بسرعة محددة جداً وضيقة. إذا كان الضوء واسع النطاق أو "صاخباً" للغاية، فلن تتمكن الذاكرة من التقاطه. علاوة على ذلك، لجعل الشبكة عملية، يجب أن تولد مصادر الضوء هذه أزواجاً متشابكة بسرعة كبيرة. لسنوات، واجه الباحثون مقايضة صعبة: كان بإمكانهم بناء مصادر تنتج ضوءاً بدقة عالية ولكن ببطء شد جداً، أو مصادر سريعة ولكنها واسعة النطاق بحيث يصعب تخزينها.

لقد وجد فريق من الباحثين في مختبرات NTT للأبحاث الأساسية وجامعة هوكايدو الآن طريقة لكسر هذا الجمود باستخدام حلقة صغيرة من السيليكون. لقد نجحوا في إنشاء جهاز يولد أزواجاً من الفوتونات المتشابكة بسرعة عالية مع الحفاظ على ضيق نطاق الضوء بما يكفي لتخزينه في الذاكرات الكمومية. لم يكن مفتاح نجاحهم مادة جديدة أو عملية كيميائية معقدة، بل كان إعادة تصميم ذكية لشريحة سيليكون قياسية. ومن خلال ضبط حجم وشكل حلقة مجهرية على الشريحة بعناً، تمكنوا من تنعيم المسار الذي يسلكه الضوء، مما قلل من التشتت الذي يفسد جودة الشعاع عادةً. سمح لهم ذلك بتحقيق مستوى قياسي من الأداء باستخدام أدوات التصنيع القياسية المستخدمة لصنع معالجات الكمبيوتر اليوم.

الجهاز الذي بنوه هو رنان مجهري من السيليكون (silicon microring resonator)، وهو في الأساس مسار دائري صغير للضوء، عرضه بضع عشرات من الميكرومترات فقط. عندما يتم ضخ الضوء في هذه الحلقة، فإنه يدور عدة مرات، مما يؤدي إلى تراكم الكثافة. هذه العملية، المعروفة باسم "الخلط الرباعي التلقائي للموجات" (spontaneous four-wave mixing)، تقسم الضوء الوارد إلى أزواج من فوتونات جديدة متشابكة. في أجهزة السيليكون السابقة، كانت حواف هذه الحلقات الصغيرة خشنة على المستوى الذري، مما تسبب في تشتت الضوء وفقدان الطاقة. جعل هذا التشتت من الصعب إبقاء الضوء محصوراً وضيق النطاق. أدرك الباحثون أنه من خلال جعل الحلقة أعرض وأكبر في نصف قطرها، يمكنهم دفع موجات الضوء بعيداً عن الحواف الخشنة وإلى المركز الأكثر نعومة للموجّه الموجي. اختبروا حلقات بأحجام مختلفة ووجدوا أن حلقة بنصف قطر 40 ميكرومتراً وعرض 1.5 ميكرومتر قدمت أفضل توازن. قللت هذه الهندسة المحددة التفاعل بين الضوء والجدران الجانبية الخشنة، مما سمح للضوء بالدوران بأقل قدر من الفقد.

كانت نتائج هذا التحسين مذهلة. قاس الفريق "عامل جودة ذاتي" (intrinsic quality factor)، وهو رقم يصف مدى جودة حبس الحلقة للضوء، وبلغ 1.26 مليون. وتعد هذه واحدة من أعلى القيم التي تم تسجيلها على الإطلاق لمصدر قائم على السيليكون من هذا النوع. ولأن الضوء يظل محبوساً بفعالية كبيرة، يمكن للجهاز توليد أزواج فوتونات متشابكة بمعدل 9.19 مليون في الثانية. والأهم من ذلك، فإن الضوء الناتج ضيق النطاق للغاية، حيث يبلغ عرض نطاقه حوالي 300 ميجاهرتز. هذا الضيق أمر بالغ الأهمية لأنه يتوافق مع قدرات التخزين في الذاكرات الكمومية الصلبة، مثل البلورات المطعمة بالإربيوم، والتي تستخدم لحفظ المعلومات الكمومية. أكد الباحثون أن الضوء كان متشابكاً بالفعل من خلال إجراء اختبار حيث قاموا بتقسيم أزواج الفوتونات وإرسالها عبر مسارات مختلفة. وعندما أعادوا دمج المسارات، تداخلت الفوتونات مع بعضها البعض بطريقة أثبتت أنها مرتبطة، مما أظهر "وضوحاً" (visibility) بنسبة 98 في المائة. يشير هذا الوضوء العالي إلى أن التشابك ذو جودة عالية، ومناسب للتطبيقات الواقعية.

تناولت الدراسة أيضاً مشكلة شائعة في تقنيات السيليكون الضوئية: ميل الجهاز لفقدان الكفاءة عندما يصبح الضوء ساطعاً جداً. عند مستويات الطاقة العالية، يمتص السيليكون نفسه بعض الضوء ويخلق إلكترونات حرة، والتي تمتص بدورها المزيد من الضوء وتتسبب في تشبع الإشارة. لاحظ الباحثون تأثير التشبع هذا، مؤكدين أنه ناتج عن مادة السيليكون نفسها وليس بسبب خلل في أجهزتهم الكاشفة. ورغم هذا الحد الفيزيائي، تمكن جهازهم من إنتاج معامل سطوع قدره 22.0 ميجاهرتز لكل جيجاهرتز، وهو مقياس لعدد الأزواج المفيدة المتولدة لكل وحدة من عرض النطاق الترددي. يتجاوز هذا الأداء الأرقام القياسية السابقة لأجهزة السيليكون وينافس الأنظمة الأكثر تعقيداً المصنوعة من مواد أخرى. تكمن أهمية هذا العمل في بساطته؛ فقد حقق الفريق هذه النتائج دون أي خطوات معالجة لاحقة خاصة أو تقنيات تصنيع غريبة. لقد استخدموا تقنيات الليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية والنقش القياسية، وهي نفس الطرق المستخدمة لإنتاج رقائق الكمبيوتر بكميات تجارية.

يشير هذا الإنجاز إلى أن الطريق نحو إنترنت كمومي قابل للتوسع قد يكون ممهداً بنفس تقنية السيليكون التي تدعم عالمنا الرقمي الحالي. من خلال إثبات إمكانية توليد ضوء متشابك عالي السرعة وضيق النطاق على شريحة سيليكون قياسية، أزال الباحثون عائقاً رئيسياً أمام دمج المكررات الكمومية (quantum repeaters) في البنية التحتية القائمة. المكررات الكمومية ضرورية لتوسيع نطاق الاتصالات الكمومية، حيث تعمل كمحطات تقوم بتنشيط الإشارة عبر المسافات الطويلة. ولكي تعمل هذه المكررات، فإنها تحتاج إلى مصدر يكون سريعاً وضيق النطاق في آن واحد، وهو بالضبط ما يوفره حلقة السيليكون الجديدة هذه. يوضح العمل أن المقايضة بين السرعة والدقة ليست قانوناً فيزيائياً لا يمكن كسره، بل هي تحدٍ هندسي يمكن حله بهندسة ذكية. وكما يذكر الفريق، فإن المزيد من التحسينات ممكنة من خلال تحسين هندسة الشريحة للتحكم في كيفية انتشار الضوء، لكن النتائج الحالية تضع بالفعل معياراً جديداً لما يمكن تحقيقه باستخدام تقنيات السيليكون الضوئية القياسية. إن المسار المستقبلي للشبكات الكمومية يبدو الآن أكثر وضوحاً، مبنياً على أساس حلقة محسنة وبسيطة من السيليكون.