Development of a fabrication-to-benchtop process for SiN-based quantum devices

في عالم الاتصالات الحديثة، يحمل الضوء بياناتنا، لكن المواد التي توجهه غالباً ما تعاني من مقايضة جوهرية. فمن أجل معالجة المعلومات بسرعة وكفاءة، يحتاج المهندسون إلى مواد يمكنها ثني الضوء في مسارات ضيقة ومدمجة دون فقدان الطاقة أو تشويه الإشارة. وقد برز نتريد السيليكون كمرشح رائد لهذه المهمة؛ فهو سيراميك صلب وشفاف يسمح للضوء بالانتقال بأقل قدر من الفقد، ويمكنه تحمل مستويات عالية من الطاقة دون الانهيار. وبخلاف بعض المواد الأخرى، فإنه لا يمتص الضوء بطريقة تولد حرارة أو ضجيجاً غير مرغوب فيه، مما يجعله مثالياً للمهمة الدقيقة للحوسبة الكمومية، حيث تُحمل المعلومات بواسطة جسيمات فردية من الضوء. ومع ذلك، فإن تحويل هذه المادة الواعدة إلى جهاز فعال أمر صعب؛ إذ يجب أن تكون عملية نمو المادة على الشريحة دقيقة للغاية، فإذا اختل التوازن الكيميائي قليلاً، فإن الضوء يتباطأ أو يتسارع بطرق غير متوقعة، مما يدمر قدرة الجهاز على العمل.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة كارلتون والمجلس الوطني للبحوث في كندا خارطة طريق كاملة لحل هذه المشكلة، منتقلين من أرض المصنع حيث تُصنع الرقائق إلى منصة المختبر حيث تُختبر. ويركز عملهم على إتقان إنشاء أغشية نتريد السيليكون بتوازن كيميائي محدد، يُعرف باسم "النسبة الكمية" (stoichiometry)، وهو ما يضمن سلوك المادة تماماً كما هو متوقع. ومن خلال التحكم في درجة الحرارة وخلطات الغاز أثناء عملية التصنيع، أنتجوا أغشية شبه مثالية في تركيبها. ثم قاموا بقياس هذه الأغشية بدقة عالية، وفحص سمكها، ونقاؤها الكيميائي، ومدى الإجهاد الذي تسببه لرقاقة السيليكون التي تستقر عليها. وقد كشف هذا الرصد الدقيق أن إزالة الجزء الخلفي من المادة أثناء التصنيع غيّر الإجهاد الداخلي، والذي بدوره غيّر قليلاً معامل الانكسار للمادة — وهو مقي ر لمدى انحناء الضوء. كان فهم هذا التحول أمراً حاسماً، حيث سمح للفريق بالتنبؤ بدقة بكيفية انتقال الضوء عبر الجهاز النهائي.

ومع هذه القياسات الدقيقة بين أيديهم، وجه الباحثون اهتمامهم إلى نوع معين من الأجهزة يسمى "المُتذبذب ذو الحلقة الدقيقة" (microring resonator). تخيل مضمار سباق صغير للضوء، حيث يدور شعاع من الضوء في حلقة. هذه الحلقات أدوات قوية لأنها يمكنها حبس الضوء وتضخيم ألوان معينة، مما يخلق نمطاً مستقراً ومتكرراً من الترددات. استخدم الفريق قياساتهم الواقعية لنتريد السيليكون لبناء نموذج حاسوبي لهذه الحلقات. لقد قاموا بمحاكاة كيفية سلوك الضوء داخل الحلقة، وبالتحديد بحثاً عن ظاهرة تسمى "السوليتون" (soliton). السوليتون هو نوع خاص من نبضات الضوء التي تحافظ على شكلها وسرعتها أثناء انتقالها، مقاومةً الميل الطبيعي لموجات الضوء للانتشار والتشتت. وفي عمليات المحاكاة، وجد الباحثون أنه من خلال ضبط حجم الحلقة وقوة الضوء الداخل إليها، يمكنهم توليد هذه النبضات المستقرة. واكتشفوا أن نبضة الضوء يمكن أن تشكل "سوليتون" واحداً ونقياً إذا كانت طاقة الإدخال مناسبة تماماً، ولكن زيادة الطاقة عن حدها قد تؤدي إلى تفكك النبضة أو تذبذبها بشكل جامح.

تؤكد الدراسة أن التحكم في عملية التصنيع من البداية إلى النهاية هو المفتاح لإطلاق العنان للإمكانات الكاملة لهذه الأجهزة. فقد أثبت الفريق أن طريقتهم الداخلية يمكن أن تنتج موجهات موجية ذات فقد منخفض جداً في الإشارة، بما يضاهي أفضل النتائج المشهودة في المختبرات الصناعية. وأظهروا أنه من خلال معرفة معامل الانكسار الدقيق لمادتهم، يمكنهم تصميم مُتذبذبات ذات حلقات دقيقة تولد "سوليتونات بصرية" في نطاق محدد من الضوء يُعرف باسم "النطاق O" (O-band)، وهو أمر بالغ الأهمية لتوسيع سعة شبكات الاتصالات المستقبلية. وبينما تم تحقيق توليد هذه السوليتونات من خلال المحاكاة بناءً على بياناتهم المقاسة، فإن النتائج توفر مخططاً واضحاً لبناء أجهزة كمومية واقعية. ويثبت العمل أنه عندما يكون التصنيع والنمذجة مرتبطين ارتباطاً وثيقاً، يمكن للعلماء التنبؤ بسلوك الضوء على الشريحة وتحسينه، مما يمهد الطريق لأجهزة كمبيوتر كمومية وأنظمة اتصالات أكثر تقدماً تعتمد على التحكم الدقيق في الضوء.