A photonic source with half-a-GHz single-photon flux
تُبلغ هذه الورقة عن مصدر فوتون واحد حتمي يحقق تدفق فوتون واحد داخل الألياف يتجاوز 500 ميجاهرتز بقدرة بصرية تزيد عن 100 بيكوواط، وذلك من خلال الجمع بين معدلات إثارة عالية وكفاءة نظام عالية.
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 مجال التكنولوجيا الكمومية، يعد القدرة على توليد الضوء جسيماً واحداً في كل مرة متطلباً أساسياً لبناء شبكات اتصالات آمنة وحواسيب جديدة قوية. هذه الجسيمات الفردية من الضوء، المعروفة باسم الفوتونات، تعمل كحوامل للمعلومات لا يمكن نسخها أو اعتراضها دون اكتشاف ذلك. ومع ذلك، لكي تعمل هذه الأنظمة بفعالية، يجب أن يكون مصدر هذه الفوتونات نقياً وسريعاً في آن واحد. يضمن النقاء أن الجهاز يبعث فوتوناً واحداً بالضبط في كل مرة، بدلاً من دفعة عشوائية من فوتونات عديدة، بينما تحدد السرعة كمية المعلومات التي يمكن إرسالها في لحظة معينة. وكلما كان المصدر أسرع في إنتاج هذه الجسيمات المنفردة، أصبحت هذه التكنولوجيا أكثر عملية للاستخدام في العالم الحقيقي، لتنتقل من التجارب المختبرية البطيئة إلى نقل البيانات عالي السرعة.
لقد دفع فريق من الباحثين الآن حدود هذه السرعة، حيث ابتكروا جهازاً يولد تدفقاً من الفوتونات المنفردة بمعدل يتجاوز 500 مليون فوتون في الثانية. ويمثل هذا الإنجاز أعلى تدفق للفوتونات المنفردة تم تسجيله على الإطلاق من مصدر صلب (solid-state). وقد حقق الباحثون ذلك عبر أخذ شعاع مستمر من ضوء الليزر وتقسيمه إلى نبضات قصيرة ودقيقة للغاية. ثم استخدموا هذه النبضات لإثارة بنية أشباه موصلات صغيرة، تُعرف باسم "النقطة الكمومية" (quantum dot)، والتي تعمل كذرة اصطناعية. فعندما تصطدم بها نبضة الليزر، تمتص النقطة الكمومية هذه الطاقة وتعيد إطلاقها فوراً على شكل فوتون منفرد. ومن خلال تكرار هذه العملية نصف مليار مرة كل ثانية، استطاع الفريق إنشاء تدفق مستمر وعالي السرعة من الضوء، وهو قوي بما يكفي ليتم قياسه مباشرة باستخدام معدات قياسية.
يكمن السر وراء هذه السرعة العالية في كيفية إعداد الباحثين لضوء الليزر. فبدلاً من استخدام ليزر ينبض بشكل طبيعي، بدأوا بشعاع مستمر واستخدموا مفاتيح إلكترونية لنحت دفقات قصيرة من الضوء. وقد تم توقيت هذه الدفقات بدقة متناهية، مما سمح للباحثين بالتحكم في موعد وصول كل نبضة بدقة. واختبروا هذا النظام عند سرعات مختلفة، وصولاً إلى دفع النقطة الكمومية بمعدل مليار نبضة في الثانية. وعند هذه السرعة، يتم إثارة النقطة الكمومية مرة أخرى قبل أن تنتهي تماماً من إطلاق الفوتون السابق، مما يخلق وضعاً تبدأ فيه الإشارات بالتداخل. ورغم هذا الازدحام، حافظ النظام على مستوى عالٍ من الجودة، حيث نجح في تقديم أكثر من 500 مليون فوتون منفرد في الثانية داخل ليف بصري.
وللتحقق من أداء مصدرهم، قام الفريق بقياس مخرجات الضوء باستخدام مقياس قدرة قياسي، وهو جهاز يوجد عادة في المختبرات لقياس شدة الضوء. وفر هذا النهج طريقة مباشرة وبسيطة لحساب كفاءة نظامهم دون الحاجة إلى كواشف معقدة ومتخصية. ووجدوا أنه عند أعلى سرعة تشغيل لديهم، قدم المصدر قدرة بصرية تزيد عن 100 بيكوات. قد يبدو هذا مقداراً ضئيلاً جداً من الطاقة، ولكن بالنسبة لتدفق من الفوتونات المنفردة، فهو مقدار كبير يؤكد أن الجهاز يعمل بكفاءة عالية. وأظهرت القياسات أن النظام احتفظ بكفاءة تزيد عن 50 بالمائة، مما يعني أن أكثر من نصف الفوتونات المتولدة من النقطة الكمومية نجحت في الوصول إلى كابل الألياف لاستخدامها.
كما فحص الباحثون جودة الفوتونات للتأكد من ملاءمتها للتطبيقات الكمومية المتقدمة. فقد تحققوا من أن الضوء يأتي بالفعل في حزم منفردة، وأن الفوتونات غير متمايزة عن بعضها البعض، وهي خاصية مطلوبة لكي تتمكن الحواسيب الكمومية من إجراء الحسابات. وبينما انخفضت الجودة قليلاً مع زيادة السرعة بسبب تداخل الإشارات، إلا أن النتائج ظلت قوية. وأثبت الفريق أنه حتى عند هذه المعدلات القصوى، يمكن للمصدر إنتاج فوتونات تمتلك النقاء وعدم التمايز اللازمين للعديد من المهام العملية. ويشير هذا العمل إلى أنه من خلال مجرد زيادة سرعة نبضات الليزر، يمكن توليد كميات هائلة من الضوء الكمومي دون التضحية بالخصائص الأساسية التي تجعله مفيداً.
يفتح هذا الاختراق مساراً جديداً لتطوير التقنيات الكمومية التي تتطلب معدلات بيانات عالية. ولأن المصدر ينتج ما يكفي من الضوء ليتم قياسه باستخدام معدات جاهزة (off-the-shelf)، فإن ذلك يسهل عملية توصيف ومعايرة هذه الأجهزة. إن القدرة على توليد مثل هذا التدفق العالي من الفوتونات المنفردة تفتح الباب أمام تجارب أكثر تعقيداً في المحاكاة الكمومية، ويمكن أن تعمل كمعيار موثوق لقياس الضوء في علم القياس (metrology). ومن خلال إثبات أن مصدراً صلباً يمكنه العمل بسرعات جيجاهرتز مع الحفاظ على كفاءة عالية، قدم الباحثون مكوناً حيوياً لأنظمة المعلومات الكمومية من الجيل القادم، مما يقرب وعد الاتصالات الكمومية فائقة السرعة من الواقع.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.