SciTechDaily

ניקולס

סיליקון קסם: מניע את האינטרנט הקוונטי של העתיד

המכשיר משתמש בדיודה חשמלית פשוטה כדי לתפעל קיוביטים בתוך פרוסת סיליקון מסחרית. קרדיט: Second Bay Studios/Harvard SEAS

על ידי שימוש במכשירי מוליכים למחצה מסורתיים, חוקרים פתחו פוטנציאלים חדשים בתקשורת קוונטית, ודחפו אותנו קרוב יותר למימוש הפוטנציאל העצום של האינטרנט הקוונטי.

ניתן לפשט משמעותית את בניית האינטרנט הקוונטי על ידי מינוף טכנולוגיות ותשתית טלקומוניקציה קיימות. בשנים האחרונות, חוקרים זיהו פגמים בסיליקון – חומר מוליכים למחצה בשימוש נרחב – המחזיקים בפוטנציאל לשידור ואחסון מידע קוונטי על פני אורכי הגל הנפוצים של התקשורת. פגמי הסיליקון הללו עשויים להיות רק המועמדים העיקריים לארח קיוביטים לתקשורת קוונטית יעילה.

חקר פגמים קוונטיים בסיליקון

"זה עדיין מערב פרוע בחוץ," אמרה אוולין הו, פרופסור טאר-קוין לפיזיקה שימושית ולהנדסת חשמל בבית הספר להנדסה ולמדעים שימושיים בהרווארד ג'ון א. פולסון (SEAS). "למרות שפגמים מועמדים חדשים הם פלטפורמת זיכרון קוונטי מבטיחה, לעתים קרובות אין כמעט שום דבר ידוע מדוע משתמשים במתכונים מסוימים כדי ליצור אותם, וכיצד ניתן לאפיין אותם במהירות ואת האינטראקציות ביניהם, אפילו בהרכבים. ובסופו של דבר, איך נוכל לכוונן את ההתנהגות שלהם כך שהם יציגו מאפיינים זהים? אם אי פעם ניצור טכנולוגיה מתוך עולם האפשרויות הרחב הזה, חייבות להיות לנו דרכים לאפיין אותן טוב יותר, מהיר יותר ויעיל יותר".

כעת, Hu וצוות חוקרים פיתחו פלטפורמה לחקור, לקיים אינטראקציה איתה ולשלוט במערכות הקוונטיות הפוטנציאליות הללו. המכשיר משתמש בדיודה חשמלית פשוטה, אחד הרכיבים הנפוצים ביותר בשבבי מוליכים למחצה, כדי לתפעל קיוביטים בתוך פרוסת סיליקון מסחרית. באמצעות מכשיר זה, החוקרים הצליחו לחקור כיצד מגיב הפגם לשינויים בשדה החשמלי, לכוון את אורך הגל שלו בתוך רצועת התקשורת ואף להפעיל ולכבות אותו.

"אם אי פעם ניצור טכנולוגיה מעולם האפשרויות הרחב הזה, חייבים להיות לנו דרכים לאפיין אותן טוב יותר, מהיר יותר ויעילה יותר."

אוולין הו, פרופסור טאר-קוין לפיזיקה שימושית ולהנדסת חשמל

רתימת פגמים לתקשורת קוונטית

"אחד הדברים המרגשים ביותר בלהיות פגמים אלה בסיליקון הוא שאתה יכול להשתמש במכשירים מובנים היטב כמו דיודות בחומר המוכר הזה כדי להבין מערכת קוונטית חדשה לגמרי ולעשות איתה משהו חדש", אמר אהרון דיי, דוקטור. ד. מועמד ב-SEAS. דיי הוביל את העבודה יחד עם מדיסון סוטולה, עמית מחקר בהרווארד.

בעוד שצוות המחקר השתמש בגישה זו כדי לאפיין פגמים בסיליקון, היא יכולה לשמש ככלי אבחון ובקרה לפגמים במערכות חומרים אחרים.

המחקר מתפרסם ב תקשורת טבע.

פולטים קוונטיים ויישומי רשת

פגמים קוונטיים, הידועים גם כמרכזי צבע או פולטים קוונטיים, הם פגמים בסריגי גביש מושלמים אחרת שיכולים ללכוד אלקטרונים בודדים. כאשר האלקטרונים הללו נפגעים בלייזר, הם פולטים פוטונים באורכי גל ספציפיים. הפגמים בסיליקון שהחוקרים מתעניינים בהם ביותר עבור תקשורת קוונטית ידועים כמרכזי G ומרכזי T. כאשר פגמים אלו לוכדים אלקטרונים, האלקטרונים פולטים פוטונים באורך גל הנקרא פס O, שנמצא בשימוש נרחב בתקשורת.

במחקר זה, הצוות התמקד בפגמים במרכזי G. הדבר הראשון שהם היו צריכים להבין היה איך להכין אותם. בניגוד לסוגי ליקויים אחרים, בהם א אָטוֹם מוסר מסריג גביש, פגמים במרכז G נעשים על ידי הוספת אטומים לסריג, במיוחד פחמן. אבל הו, דיי ושאר צוות המחקר גילו שהוספת אטומי מימן היא גם קריטית ליצירת הפגם באופן עקבי.

פיתוח כלים לרשת קוונטית

לאחר מכן, החוקרים יצרו דיודות חשמליות תוך שימוש בגישה חדשה המכניסה את הפגם בצורה אופטימלית למרכז כל מכשיר מבלי לפגוע בביצועים של הפגם או הדיודה. שיטת הייצור יכולה ליצור מאות מכשירים עם פגמים מוטבעים על פני רקיק מסחרי. כשחיברו את כל המכשיר כדי להפעיל מתח, או שדה חשמלי, הצוות גילה שכאשר הופעל מתח שלילי על המכשיר, הפגמים כבו והחשיכו.

"ההבנה מתי שינוי בסביבה מוביל לאובדן אות חשובה להנדסת מערכות יציבות ביישומי רשת", אמר דיי,

החוקרים מצאו גם כי באמצעות שדה חשמלי מקומי, הם יכולים לכוון את אורכי הגל הנפלטים מהפגם, דבר שחשוב לרשת קוונטית כאשר יש צורך ליישר מערכות קוונטיות שונות.

הצוות גם פיתח כלי אבחון כדי לדמיין כיצד מיליוני הפגמים המוטמעים במכשיר משתנים בחלל עם הפעלת השדה החשמלי.

כיוונים עתידיים ופוטנציאל מסחרי

"מצאנו שלאופן בו אנו משנים את הסביבה החשמלית עבור הפגמים יש פרופיל מרחבי, ואנחנו יכולים לדמיין אותו ישירות על ידי ראיית השינויים בעוצמת האור הנפלט מהפגמים", אמר דיי. "על ידי שימוש בכל כך הרבה פולטים וקבלת נתונים סטטיסטיים על הביצועים שלהם, יש לנו כעת הבנה טובה של איך פגמים מגיבים לשינויים בסביבתם. אנו יכולים להשתמש במידע הזה כדי ליידע כיצד לבנות את הסביבות הטובות ביותר עבור פגמים אלה במכשירים עתידיים. יש לנו הבנה טובה יותר של מה הופך את הפגמים הללו למאושרים ולא מרוצים."

בשלב הבא, הצוות שואף להשתמש באותן טכניקות כדי להבין את הפגמים במרכזי T בסיליקון.

המחקר נערך בשיתוף סוטולה, ג'ונתן ר. דיץ, אלכסנדר ראון מ-SEAS ומדעני המחקר של AWS, דניס ד. סוקצ'ב ומיהיר ק. בהסקר.

עבודה זו נתמכה על ידי AWS Center for Quantum Networking ו-Harvard Quantum Initiative. המשרד לפיתוח טכנולוגי של הרווארד הגן על הקניין הרוחני הקשור לפרויקט זה והוא מחפש הזדמנויות מסחור.

ניקולס