התקנים קוונטיים מעשיים עכשיו קרובים יותר למציאות – מדענים חושפים שבבים פוטוניים בטמפרטורת החדר

מחקר חדש של האוניברסיטה העברית עשה פריצת דרך משמעותית על ידי שילוב מוצלח של יחיד-פוטון מקורות לתוך שבבים קטנים הפועלים בטמפרטורת החדר. פיתוח זה מסמן התקדמות מכרעת בתחום הפוטוניקה הקוונטית, ופותח אפשרויות לשימוש בו מחשוב קוונטי והצפנה. הוא מייצג הישג מרכזי ביצירת התקנים פוטוניים קוונטיים שמישים, המאותת על תחזית אופטימית למימוש מלא של טכנולוגיות קוונטיות, כולל מחשוב, תקשורת וחישה.

מחקר שנערך לאחרונה, בראשות בועז לובוצקי במהלך הדוקטורט שלו. מחקר, יחד עם פרופ' רונן רפפורט ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית בירושלים, בשיתוף עם צוותים מהמעבדה הלאומית של לוס אלמוס (LANL) בארה"ב ומאוניברסיטת Ulm בגרמניה, חשפו התקדמות משמעותית לקראת -שילוב שבב של מקורות פוטון בודדים בטמפרטורת החדר. הישג זה מייצג צעד משמעותי קדימה בתחום הפוטוניקה הקוונטית והוא טומן בחובו הבטחה ליישומים שונים כולל מחשוב קוונטי, קריפטוגרפיה וחישה.

חדשנות בעיצוב אנטנות

החידוש העיקרי טמון ביישום של אנטנה היברידית מתכת-דיאלקטרית bullseye, המספקת כיווניות פוטון יוצאת דופן. עיצוב אנטנה חדשני זה מאפשר עירור אחורי יעיל של פוטונים על ידי הנחת הפולט בתוך חור באורך תת-גל הממוקם במרכז האנטנה. תצורה זו מאפשרת גם עירור אחורי ישיר וגם צימוד קדמי יעיל ביותר של פליטה לאופטיקה עם צמצם מספרי נמוך או לסיבים אופטיים.

המחקר מדגים את הרבגוניות של הרעיון הזה על ידי ייצור מכשירים המכילים נקודות קוונטיות קולואידיות או ננו-יהלומים המכילים מרכזי סיליקון פנויים, שניהם פולטי פוטון בודדים מצוינים אפילו בטמפרטורת החדר. פולטים אלה הוצבו במדויק באמצעות שתי שיטות ננו-מיקום ברורות.

למרבה הפלא, שני סוגי המכשירים הנרגשים מאחור הציגו יעילות איסוף קדמית של כ-70% בפתחים מספריים נמוכים עד 0.5. המשמעות היא שניתן להשתמש באלמנטים אופטיים פשוטים וקומפקטיים ועדיין לאסוף את רוב הפוטונים לתוך הערוץ הרצוי, או לשלוח במדויק את הפוטונים הנפלטים לסיב אופטי סמוך ללא צורך באופטיקה נוספת של צימוד. זהו מרכיב מרכזי בשילוב של מקורות אור קוונטיים למערכות קוונטיות אמיתיות. תהליך יעיל זה מבטיח לפשט את מאמצי האינטגרציה העתידיים ולהאיץ את המימוש של התקנים פוטוניים קוונטיים מעשיים.

בועז לובוצקי התייחס למשמעות ההישג הזה, וקבע: "על ידי התגברות על אתגרים מרכזיים הקשורים באינטגרציה על-שבב של מקורות פוטון בודדים, פתחנו אפשרויות חדשות ומרגשות לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות מתקדמות".

לשילוב המוצלח של מקורות פוטון בודדים על שבבים זעירים בטמפרטורת החדר, המושג באמצעות שימוש חדשני באנטנה היברידית מתכת-דיאלקטרית Bullseye יש יישומים מיידיים בקידום הצפנה קוונטית לתקשורת מאובטחת, שיפור טכנולוגיות חישה וייעול תהליך האינטגרציה למעשים מכשירים פוטוניים קוונטיים. ממצאי המחקר פותחים דלתות ליישומים מסחריים ולפיתוח מוצרים חדשים בתחום המתפתח של טכנולוגיות קוונטיות.