מחקר חדש חוקר כיצד רעידות אטומיות משפיעות על יעילות פליטת הפוטונים בפגמים קוונטיים, ומספקים תובנות שיכולות לשפר את התכנון של פולטים קוונטיים עבור רשתות קוונטיות עתידיות.
מתי ולמה פולט פוטון לא מצליח לפלוט? מחקר באוניברסיטת סנטה ברברה שופך אור על שאלה זו.
מחקר על טכנולוגיית אינטרנט קוונטית מדגיש את האתגר של ייצור פוטונים יציבים באורכי גל טלקום, כאשר מחקרים עדכניים מתמקדים בשיפורים חומריים וטכניקות פליטה מתקדמות לשיפור יעילות הרשת הקוונטית.
מחשבים מרוויחים מאוד מהחיבור לאינטרנט, אז אולי נשאל: מה תועיל מחשב קוונטי ללא אינטרנט קוונטי?
הסוד של האינטרנט המודרני שלנו הוא היכולת לנתונים להישאר שלמים בזמן נסיעה למרחקים ארוכים, והדרך הטובה ביותר להשיג זאת היא באמצעות פוטונים. פוטונים הם יחידות בודדות ("קוואנטות") של אור. בניגוד לחלקיקים קוונטיים אחרים, פוטונים מקיימים אינטראקציה חלשה מאוד עם סביבתם. היציבות הזו גם הופכת אותם למושכים במיוחד לנשיאת מידע קוונטי למרחקים ארוכים, תהליך שדורש שמירה על מצב עדין של הסתבכות לפרק זמן ממושך. פוטונים כאלה יכולים להיווצר במגוון דרכים. שיטה אפשרית אחת כוללת שימוש בפגמים בקנה מידה אטומי (פגמים קוונטיים) בגבישים כדי ליצור פוטונים בודדים במצב קוונטי מוגדר היטב.
איור קונספט המתאר פגם קוונטי הפולט פוטון בודד. קרדיט: מארק טוריאנקסי
עשרות שנים של אופטימיזציה הביאו לכבלים סיבים אופטיים שיכולים להעביר פוטונים עם אובדן נמוך במיוחד. עם זאת, שידור הפסד נמוך זה פועל רק עבור אור בטווח צר של אורכי גל, המכונה "רצועת אורכי הגל הטלקום". זיהוי פגמים קוונטיים המייצרים פוטונים באורכי גל אלו הוכיח את עצמו כקשה, אך מימון ממשרד האנרגיה של ארה"ב והקרן הלאומית למדע (NSF) אפשר לחוקרים במכללה להנדסה של סנטה ברברה להבין מדוע זה קורה. הם מתארים את ממצאיהם במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת APL Photonics.
יעילות פליטה קוונטית
"אטומים רוטטים כל הזמן, והרעידות האלה יכולות לנקז אנרגיה מפולט אור", אומר פרופסור לחומרים ב-UCSB, כריס ואן דה וואלה. "כתוצאה מכך, במקום לפלוט א פוטון, פגם עלול במקום זאת לגרום לאטומים לרטוט, ולהפחית את יעילות פליטת האור." הקבוצה של ואן דה וואלה פיתחה מודלים תיאורטיים כדי ללכוד את תפקידן של תנודות אטומיות בתהליך פליטת הפוטונים וחקרה את תפקידן של תכונות פגמים שונות בקביעת מידת היעילות.
עבודתם מסבירה מדוע היעילות של פליטת פוטון בודד יורדת באופן דרסטי כאשר אורך גל הפליטה גדל מעבר לאורכי הגל של האור הנראה (סגול לאדום) לאורכי הגל האינפרא אדום ברצועת הטלקום. המודל גם מאפשר לחוקרים לזהות טכניקות לפולטות הנדסיות בהירות ויעילות יותר.
"בחירת החומר המארח בקפידה וביצוע הנדסה ברמה אטומית של תכונות הרטט הן שתי דרכים מבטיחות להתגבר על יעילות נמוכה", אמר מארק טוריאנסקי, חוקר פוסט-דוקטורט ב-
מעבדת ואן דה וואלה, עמית ב-NSF UC Santa Barbara Quantum Foundry, והחוקר הראשי בפרויקט.
פתרון נוסף כרוך בחיבור לחלל פוטוני, גישה שנהנתה מהמומחיות של שני שותפים נוספים של Quantum Foundry: פרופסור להנדסת מחשבים גלן מודי וקמיאר פרטו, סטודנט לתואר שני במעבדת מודי.
הצוות מקווה שהמודל שלהם והתובנות שהוא מספק יהיו שימושיים בתכנון פולטים קוונטיים חדשים שיניעו את הרשתות הקוונטיות של העתיד.
