Deterministically fabricated C-band single-photon sources based on quantum dot circular Bragg grating cavities

يعتمد مستقبل الاتصالات الآمنة والحوسبة فائقة السرعة على مورد غريب ودقيق: ضوء لا يتصرف كتدفق مستمر، بل كجسيمات فردية غير قابلة للتجزئة. يطلق العلماء على هذه الجسيمات اسم "الفوتونات"، وفي عالم التكنولوجيا الكمومية، تعمل هذه الفوتونات كرسل مثاليين. وخلافاً للضوء الفوضوي المنبعث من مصباح أو مؤشر ليزر، يمكن تطويع مصدر ضوء كمومي حقيقي لإطلاق فوتون واحد فقط في كل مرة، وعند الطلب. هذا الدقة هي حجر الزاوية للشبكات الكمومية، حيث يتم تشفير المعلومات في حالة جسيم واحد. ومع ذلك، لكي تعمل هذه الشبكات عبر مسافات طويلة، يجب أن ينتقل الضوء عبر نفس الألياف الزجاجية التي تحمل الإنترنت لدينا اليوم. وهذا يتطلب ضبط الفوتونات على نطاق محدد من الألوان، يُعرف باسم "نطاق C" (C-band)، حيث تكون الألياف الزجاجية أكثر شفافية وتفقد أقل قدر من الإشارة. وقد كان إنشاء مصدر موثوق لهذه الجسيمات الفردية المحددة تحدياً طويلاً، لا سيال خصوصاً لأن المواد التي تنبعث منها طبيعياً هذا اللون غالباً ما تعاني في إنتاج فوتونات متطابقة مع بعضها البعض، وهي خاصية أساسية للحسابات المعقدة في المستقبل.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من مصادر الضوء يجمع بين التصنيع الدقيق والتصميم البصري الذكي. ومن خلال العمل مع جزر صغيرة من مادة أشباه الموصلات تسمى "النقاط الكمومية"، والتي تعمل كذرات اصطناعية، تمكن العلماء من حبس هذه البواعث داخل هيكل خاص مصمم لالتقاط وتوجيه ضوئها. وقد تمت زراعة هذه النقاط الكمومية باستخدام طريقة صناعية قياسية، مما يجعل العملية قابلة للتوسع، كما تم هندستها لتنبثق ضوءاً في نطاق C، وهو النطاق المثالي للاتصالات عبر الألياف الضوئية. ثم استخدم الباحثون تقنية عالية الدقة لتحديد موقع النقاط الفردية وبناء نمط مرآة دائرية حول كل منها. هذا النمط، المعروف باسم "شبكة براغ الدائرية" (circular Bragg grating)، يعمل مثل القمع، حيث يجمع الضوء الذي قد يتشتت في جميع الاتجاهات ويوجهه إلى شعاع واحد. والنتية هي جهاز يمكنه استخراج فوتونات مفردة من مادة صلبة وتوجيهها إلى كابل ألياف ضوئية دون الحاجة إلى معدات خارجية معقدة لتعزيز سطوعها.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في كيفية دمج الفريق لمصدر الضوء مع الهيكل البصري. فبدلاً من محاولة تخمين مكان النقاط الصغيرة الباعثة للضوء، استخدم الباحثون طريقة سمحت لهم برؤية النقاط أولاً ثم بناء الهيكل حولها بدقة نانومترية. لقد رسموا موقع نقطة كمومية واحدة باستخدام كاميرا حساسة تكتشف الضوء، ثم، ودون تحريك العينة، استخدموا حزمة إلكترونية لرسم نمط الشبكة الدائرية مباشرة حول تلك النقطة المحددة. يضمن هذا النهج الحتمي توافق مصدر الضوء وهيكل التقاط الضوء بشكل مثالي. ويظهر الجهاز الناتج على شكل "ميزا" (mesa)، أو منصة مرتفعة، محاطة بحلقات متحدة المركز محفورة في المادة. هذه الحلقات متباعدة بدقة رياضية لتعكس الضوء بطول موجي محدد نحو المركز، مما يؤدي فعلياً إلى حبس الضوء وإجباره على الخروج للأعلى عبر فتحة ضيقة.

عندما اختبر الباحثون هذه الأجهزة، وجدوا أن الهياكل الدائرية حسنت بشكل كبير كمية الضوء التي يمكنهم جمعها. فمقارنة بعينة مسطحة وغير منقوشة من نفس المادة، التقطت الأجهزة الجديدة ضوءاً أكثر بنحو ثلاثة إلى أ أربعة أضعاف. لم يكن هذا التحسن مجرد مسألة جعل الضوء أكثر سطوعاً؛ بل حافظ أيضاً على جودة الفوتونات. فقد قاس الفريق المدة التي يستغرقها الفوتون الواحد قبل أن يُعاد امتصاصه أو يُفقد، ووجدوا عمراً يبلغ حوالي 1400 بيكوثانية. كما قاسوا حدة لون الضوء، والتي ظلت ضيقة جداً، مما يشير إلى أن الفوتونات كانت محددة جيداً ومستقرة. والأهم من ذلك، تمكن الباحثون من توليد هذه الفوتونات المفردة دون استخدام ليزر رنيني، وهو طريقة أكثر تعقيداً وحساسية لإثارة المادة. بدلاً من ذلك، استخدموا طريقة "الإثارة فوق النطاق" (above-band excitation)، وهي طريقة أبسط وأكثر قوة وسهولة في التنفيذ في التطبيقات الواقعية، رغم أنها عادة ما تسبب المزيد من الضجيج وعدم الاستقرار.

ربما كانت النتيجة الأكثر دلالة هي اختبار ما إذا كانت الفوتونات متطابقة مع بعضها البعض. ففي ميكانيكا الكم، لكي يتداخل فوتونان مع بعضهما البعض بطريقة تسمح بالحوسبة الكمومية، يجب أن يكونا غير متمايزين، مما يعني أنهما نسخ مثالية من حيث التوقيت واللون. أرسل الباحثون أزواجاً من الفوتونات من جهازهم إلى مقياس تداخل خاص لمعرفة ما إذا كانت ستلغي بعضها البعض، وهي ظاهرة تُعرف باسم "تأثير هونغ-أو-ماندل" (Hong-Ou-Mandel effect). وتحت ظروفهم التجريبية، لاحظء رؤية (visibility) بنحو 35 بالمائة، مما يعني أن الفوتونات أظهرت درجة كبيرة من التشابه. وعندما طبقوا تقنية "الاختيار اللاحق" (post-selection) لتصفية الأحداث الأكثر مثالية، ارتفع هذا الرقم ليصل إلى 70 بالمائة. ورغم أن هذا ليس بعد مستوى عدم التمايز شبه المثالي الذي تظهره التجارب الأكثر تقدماً، إلا أنه إنجاز لافت لنظام يعتمد على طريقة إثارة أبسط ولا يستخدم تجويفاً لتسريع الانبعاث اصطناعياً. إن حقيقة احتفاظ الفوتونات بهذا المستوى من التماسك رغم طريقة الإثارة الأكثر ضجيجاً تشير إلى أن المادة نفسها ذات جودة عالية وأن هيكل براغ الدائري يعزل الضوء بفعالية عن الاضطرابات البيئية.

استكشف الباحثون أيضاً كيف تتصرف هذه الأجهزة عند درجات حرارة مختلفة، وهو عامل حاسم للاستخدام العملي. ووجدوا أن جودة الفوتون المفرد ظلت قوية حتى مع ارتفاع درجة الحرارة من قرب الصفر المطلق إلى حوالي 40 كلفن. وبينما تراجع الأداء قليلاً عند درجات الحرارة الأعلى، استمرت الأجهزة في إصدار فوتونات مفردة بنقاء عالٍ، مما أظهر أنها قوية بما يكفي للعمل في أنظمة التبريد القياسية بدلاً من التطلب لبيئات تبريد شديدة البرودة. وأشار الفريق إلى أن العوامل الرئيسية التي حدت من مثالية الفوتونات كانت مرتبطة على الأرجال بالتقلبات في الشحنة الكهربائية حول النقطة الكمومية والوقت الذي تستغرقه النقطة لإصدار الضوء. واقترحوا أن التحسينات المستقبلية يمكن أن تأتي من هندسة المادة لتجعل الضوء ينبعث بشكل أسرع، مما يقلل الوقت المتاح لهذه التقلبات للتدخل، أو من استخدام طرق إثارة أكثر انتقائية لتقليل الضجيج الناتج أثناء العملية.

يُظهر هذا العمل مساراً واضحاً لبناء مصادر ضوء كمومية قابلة للتوسع يمكن دمجها مباشرة في شبكات الألياف الضوئية الحالية. فمن خلال الجمع بين تقنية نمو صناعية ناضجة وطريقة تصنيع دقيقة وحتمية، أنشأ الباحثون منصة تتميز بالأداء العالي والقابلية للتصنيع. ويثبت تصميم شبكة براغ الدائرية أنه أداة فعالة لحصاد الضوء من النقاط الكمومية، محولاً مادة يصعب التحكم فيها إلى مصدر موثوق للمعلومات الكمومية. وبينما لا يزال هناك عمل يتعين القيام به للوصول إلى أعلى مستويات عدم التمايز الفوتوني، فإن هذه الدراسة تضع أساساً متيناً. فهي توضح أنه من الممكن إنشاء مصادر فوتونات مفردة تعمل في نطاق الاتصالات، سهلة الإثارة، وفعالة في الجمع، ومتوافقة مع البنية التحتية للعالم الحديث، مما يقرب رؤية الإنترنت الكمومي خطوة أخرى من الواقع.