Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform
تقدم هذه الورقة منصة فوتونية متكاملة وقابلة للتوسع من نوع "فان دير فالس" تجمع بين بواعث كمومية من ثنائي طبقة مهندسة بالإجهاد مع موجهات موجية من وموصلات شبكية لتحقيق انبعاث فوتون واحد عالي النقاء وفعال على الشريحة، مع قياس منخفض يصل إلى 0.003.
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
غالباً ما يتوقف حلم بناء حاسوب كمي يمكنه حل مشكلات تفوق قدرة الآلات الحالية على الوصول إلى تحدٍ واحد مستعصٍ: وهو كيفية جعل جزيئات الضوء الصغيرة، التي تسمى الفوتونات، تتواصل مع بعضها البعض على شريحة واحدة متناهية الصغر. في عالم المعلومات الكمية، تعمل هذه الفوتونات كرسل، تحمل بيانات دقيقة عبر الدوائر. ولجعل هذا العمل ممكناً على نطاق واسع، يحتاج العلماء إلى منصة تكون فيها مصادر الضوء التي تولد الفوتونات، والقنوات التي توجهها، والكواشف التي تلتقطها، جميعها مصنوعة من مواد متوافقة ومبنية معاً في مكان واحد. لسنوات طويلة، حاول الباحثون تجميع هذه القطع باستخدام مواد مختلفة، مثل السيليكون للقنوات وأشباه موصلات خاصة لمصادر الضوء، لكن إجبار هذه المواد المختلفة على العمل معاً يشبه محاولة لصق الزجاج بالمطاط؛ فالعملية هشة ومعقدة وصعبة التوسع. ويكمن مسار أكثر واعدية في استخدام عائلة من المواد تُعرف باسم "مواد فان دير فالس"، وهي مكونة من طبقات رقيقة ذرية يمكن تكديسها فوق بعضها البعض مثل مكعبات "الليغو" دون الحاجة إلى روابط كيميائية قاسية، مما يوفر طريقة أنظف لبناء هذه الدوائر المتكاملة.
في دراسة جديدة، اتخذ باحثون في الجامعة التقنية في الدنمارك خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال بناء مصدر ضوء كمي يعمل بالكامل من هذه المواد الرقيقة القابلة للتكديس. لقد أنشأوا جهازاً يعمل فيه نوع محدد من البلورات رقيقة الذرات، المصنوعة من "ثنائي سيلينيد التنغستن"، كمصنع للفوتونات المفردة. وُضعت هذه البلورة مباشرة فوق دليل موجي، وهو قناة مجهرية مصنوعة من بلورة أخرى تسمى "ثنائي كبريتيد التنغستن"، صُممت لالتقاط الضوء وتوجيهه على طول مسار معين. ولإخراج الضوء من هذه القناة الصغيرة إلى أداة قياس، قاموا بنحت سلسلة من الحلقات متحدة المركز والصغيرة جداً في القناة، تعمل كشبكة تشتت الضوء إلى الأعلى. والنتيجة هي نظام متكامل تماماً حيث يتم توليد الضوء وتوجيهه واستخراجه، كل ذلك على شريحة واحدة مصنوعة من هاتين المادتين ثنائيتي الأبعاد.
ركز الباحثون على حيلة محددة لجعل مصدر الضوء أكثر سطوعاً ونقاءً. فبدلاً من ضرب البلورة بطيف واسع من الضوء، استخدموا ليزراً دقيقاً للغاية مضبوطاً على مستوى طاقة محدد يقع تحت النقطة التي تمتص عندها المادة الضوء عادةً. سمحت هذه الطريقة، المعروفة باسم "الاستثارة ذات الحالة المنفصلة"، بتحفيز انبعاث الفوتونات المفردة مع تجنب التوهج الخلفي الضوضائي الذي يأتي عادةً مع الطرق الأخرى. وعندما اختبروا الضوء الخارج من الجهاز، وجدوا أنه نقي للغاية. في عالم الفيزياء الكمية، تُقاس النقاء بمدى تكرار رؤية الكاشف لفوتونين يصلان في الوقت نفسه تماماً؛ وبالنسبة لمصدر فوتون مفرد حقيقي، ينبغي ألا يحدث هذا تقريباً. وقد وجد الفريق أن هذه القيمة قريبة جداً من الصفر، مما يشير إلى أن الجهاز يطلق فوتوناً واحداً في كل مرة بموثوقية عالية جداً.
ولإثبات أن الضوء كان ينتقل بالفعل عبر الدليل الموجي وليس مجرد تسرب عشوائي، وضع الباحثون اختباراً ذكياً. فقد جمعوا الضوء من طرفي القناة المجهرية في وقت واحد. ومن خلال مقارنة تدفقات الفوتونات الواصلة إلى كل طرف، تمكنوا من التأكد من أن الضوء يتم توجيهه بكفاءة عبر الشريحة. أظهر هذا القياس ثنائي الجوانب أن الفوتونات يتم تقسيمها بين طرفي القناة، مع وصول عدد كبير من الفوتونات إلى الكواشف. وحسبوا أن الجهاز قادر على إرسال مئات الآلاف من الفوتونات المفردة كل ثانية، وهو معدل يشير -عند تعديله وفقاً لفقدان النظام- إلى أن المصدر يولد ملايين الفوتونات في الثانية داخل الدليل الموجي. ويمثل هذا المستوى من السطوع والكفاءة تحسناً كبيراً مقارنة بالمحاولات السابقة باستخدام مواد مماثلة.
كان جزء رئيسي من نجاحهم هو الطريقة التي كدسوا بها المواد. فقد وضعوا طبقة رقيقة من مادة تسمى "نيتريك البورون السداسي" بين مصدر الضوء والدليل الموجي. عملت هذه الطبقة كفاصل واقٍ، مما منع البلورة الحساسة الباعثة للضوء من التصدع عند وضعها على الدليل الموجي، مع السماح للضوء بالاقتران بكفاءة في القناة. ولولا هذا الفاصل، لكانت البلورات تميل إلى التكسر، مما يؤدي إلى تلف الجهاز. كما اكتشف الفريق أن الضوء الخارج كان مستقطباً للغاية، مما يعني أن موجات الضوء تهتز في اتجاه محدد، وهي ميزة مفيدة للتحكم في كيفية سلوك الضوء في الدوائر المستقبلية.
لا تدعي الدراسة أنها حلت جميع مشكلات الحوسبة الكمية، لكنها تثبت أنه يمكن بناء مصدر ضوء كمي كامل وعامل باستخدام هذه المواد الرقيقة والمتعددة الاستخدامات فقط. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال هندسة الطبقات وشكل الدليل الموجي بعناية، استطاعوا التغلب على الصعوبات المعتادة في نقل الضوء من المصدر إلى القناة. كما استبعدوا فكرة أن الضوء كان يتشتت ببساطة عن السطح؛ حيث أكدت القياسات أن الفوتونات كانت تنتقل عبر أنماط الدليل الموجي. ورغم أن الجهاز الحالي هو نموذج أولي، إلا أن النتائج تشير إلى مسار واضح للمضي قدماً. فمن خلال إضافة المزيد من المكونات، مثل الكواشف والمرشحات المصنوعة من نفس عائلة المواد، يمكن للعلماء في النهاية بناء دوائر كمية معقدة تكون أسهل في التصنيع وأكثر موثوقية من الأنظمة الهجينة الحالية. إن هذا العمل يثبت أن منصة "فان دير فالس" هي أساس حيوي وقوي للجيل القادم من التقنيات الكمية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.