Twin-photon generation in a silicon nitride microresonator
يُظهر هذا البحث أول تحقيق لمصدر فوتونات توأمية متحللة التردد عبر عملية خلط الموجات الأربع العكسي في رنان ميكروي من نتريد السيليكون، بينما يستعرض في الوقت ذاته قدرته كمصدر فوتون منفرد مُعلن عالي النقاء من خلال عملية خلط الموجات الأربع التلقائي على منصة متكاملة واحدة.
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
إن الضوء أكثر من مجرد ما يسمح لنا بالرؤية؛ ففي مجال التكنولوجيا الكمومية، يعد أداة أساسية لبناء حواسيب وشبكات اتصالات المستقبل. ولجعل هذه التقنيات تعمل، يحتاج العلماء إلى توليد الضوء بطرق محددة للغاية ومتحكم بها. فهم غالبًا ما يحتاجون إلى جسيمات ضوئية فردية، تُعرف باسم الفوتونات، لتعمل كحوامل للمعلومات. وفي بعض الأحيان، يحتاجون إلى فوتونين متطابقين تمامًا، لا يمكن تمييز أحدهما عن الآخر بأي شكل من الأشكال، لإجراء عمليات حسابية معقدة أو لإنشاء رموز آمنة. لسنوات طويلة، تمكن الباحثون من إنشاء هذه الجسيمات الضوئية الخاصة باستخدام معدات مختبرية ضخمة وحساسة مصنوعة من المرايا والعدسات. ومع ذلك، لنقل هذه التقنيات من المختبر إلى الأجهزة الواقعية، يحتاج العلماء إلى تصغير حجمها لتوضع على شرائح كمبيوتر دقيقة. وتعد مادة "نيتريك السيليكون" واحدة من أكثر المواد واعدة لهذه المهمة، وهي سيراميك صلب وشفاف يمكن حفره على شكل حلقات مجهرية فوق الشريحة. وتعمل هذه الحلقات مثل المصائد للضوء، حيث تحبسه في دائرة ضيقة حيث يمكنه التفاعل مع نفسه لإنشاء جسيمات جديدة.
لقد أثبت فريق من الباحثين الآن أن شريحة واحدة مصنوعة من هذه المادة يمكنها القيام بوظيفتين مختلفتين في آن واحد، اعتمادًا على كيفية تغذية الضوء فيها. ففي دراسة جديدة، أظهروا أنه من خلال تسليط شعاعي ليزر مختلفين داخل حلقة صغيرة من نيتريك السيليكون، يمكنهم إجبار الضوء على الاندماج وإنشاء زوج من التوائم المتطابقة. هذه العملية، التي يسمونها "الخلط رباعي الموجات العكسي"، تأخذ فوتونين من ألوان مختلفة وتجمعهما لإنتاج فوتونين جديدين متطابقين تمامًا. وقد قاس الباحثون عدد مرات ظهور أزواج التوائم هذه معًا مقابل عدد مرات ظهورها عن طريق الصدفة، ووجدوا نسبة قدرها 5.4 إلى 1 في أفضل إعداد لديهم. وهذا يثبت أن الشريحة تنجح في توليد هذه الأزواج المتطابقة، وهو إنجاز لم يتحقق من قبل على هذا النوع المحدد من الشرائح.
ومع ذلك، يمكن استخدام الحلقة الصغيرة نفسها للقيام بشيء مختلف قليلاً. فإذا قام الباحثون بتسليط شعاع ليزر واحد فقط في الحلقة بدلاً من اثنين، فإن الجهاز ينتقل إلى وضع تشغيل آخر ويبدأ في إنتاج أزواج من الفوتونات التي تختلف عن بعضها البعض. في هذا الإعداد، يعمل أحد الفوتونات كإشارة تعلن وصول شريكه، مما يخلق فعليًا مصدرًا موثوقًا للفوتونات المفردة عند الطلب. وقد اختبر الفريق هذا الوضع ووجد أن الفوتونات المفردة التي أنتجها كانت ذات جودة عالية جدًا، مع درجة نقاء بلغت 0.67 ومقياس لمدى تجنب ظهورها في مجموعات كان منخفضًا للغاية. وهذا يعني أن الجهاز ممتاز في ضمان أنه عندما يتم رصد فوتون، فإنه يكون حقًا جسيمًا واحدًا وليس مجموعة.
تكمن أهمية هذا العمل في تعدد استخدامات الجهاز الواحد. فمن خلال تغيير مخطط الضخ ببساطة — أي الانتقال من ليزر واحد إلى اثنين — يمكن للباحثين التنقل بين توليد فوتونات التوأم المتطابقة وتوليد الفوتونات المفردة "المُعلنة". هذا القدرة المزدوجة على منصة متكاملة واحدة تعد خطوة كبيرة للأمام في هذا المجال. فهي تشير إلى أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية يمكن بناؤها بمكونات أقل، حيث يمكن لشريحة واحدة التعامل مع أنواع متعددة من مهام توليد الضوء. وقد أكد الباحثون أن توليد التوأم الفوتوني كان ناتجًا بالفعل عن تفاعل الضخين وليس بسبب الضوضاء العشوائية أو تأثيرات أخرى، وذلك من خلال مقارنة نتائج إعداد الضخ المزدوج مقابل اختبارات الضخ الفردي. كما أشاروا إلى أنه بينما كانت النتائج الحالية قوية، إلا أنه يمكن تحسين الأداء بشكل أكبر باستخدام حلقات ذات جودة أعلى وليزر أكثر استقرارًا.
هذا الإنجاز يجسّر الفجوة بين نهجين مختلفين في الحوسبة الكمومية. فتوليد فوتونات التوأم المتطابقة هو مكون رئيسي لبروتوكولات الكم ذات المتغيرات المستمرة، والتي تعالج المعلومات باستخدام خصائص الموجات الضوئية. وفي الوقت نفسه، فإن القدرة على توليد فوتونات مفردة عالية النقاء تدعم بروتوكولات المتغيرات المنفصلة، التي تعتمد على عد الجسيمات الفردية. ومن خلال إظهار إمكانية تحقيق كليهما على نفس شريحة نيتريك السيليكون، تضع هذه الدراسة هذه المادة كقاعدة متعددة الاستخدامات للجيل القادم من التقنيات الكمومية. ولا يدعي العمل أنه قد حل جميع التحديات المتعلقة ببناء حاسوب كمومي، ولكنه يقدم مثالاً عمليًا وملموسًا لكيفية توليد حالات الضوء اللازمة على منصة متكاملة وقابلة للتوسع. ويؤكد نجاح الفريق في قياس هذه التأثيرات باستخدام كواشف عالية الكفاءة أن الفيزياء وراء ذلك سليمة، وأن الطريق نحو أنظمة كمومية أكثر تعقيدًا تعتمد على الشرائح أصبح أكثر وضوحًا.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.