مواد و ساخت پیشرفته

منبع جفت فوتونی که می‌تواند ناحیه‌های طول موج‌های مرئی و مخابراتی را به هم متصل کند، می‌تواند برای انتقال ارتباطات کوانتومی در فیبرهای نوری مفید باشد. با این حال، مولفه‌های نوری که اطلاعات کوانتومی را ذخیره و پردازش می‌کنند، در ناحیه نور مرئی کار می‌کنند و تنها فوتون‌های مادون قرمز نزدیک (NIR: near-infrared) دارای طول موج‌های مناسب برای انتقال اطلاعات کوانتومی در بیش از چند کیلومتر از فیبرهای نوری بلند هستند.
محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و دانشگاه مرکز نانو مریلند یک دستگاه مبتنی بر تراشه جدید را برای بررسی این موضوع توسعه داده‌اند. آنها جفت‌های در هم تنیده ساخته شده از یک فوتون مرئی و یک فوتون NIR با استفاده از مولفه‌های نوری مبتنی بر تراشه (chip-based) ایجاد کردند که می‌تواند به تولید انبوه برسد. فوتون نورمرئی از این جفت می‌تواند با اتم-ها، یون‌ها و یا سایر سیستم‌هایی که به عنوان نسخه‌های کوانتومی حافظه کامپیوتر عمل می‌کنند، برهم کنش داشته باشد، در حالی که فوتون NIR می‌تواند از طریق فیبر نوری در فواصل طولانی منتشر شود.
با مهندسی دقیق هندسه یک تشدیدگر حلقه‌ای شکل در مقیاس میکرومتر، محققان در NIST جفت فوتون‌های درهم تنیده‌ای را تولید می‌کنند که دارای طول موج بسیار متفاوت هستند. نور از یک لیزر پمپ (مناطق بنفش در تشدیدگر) یک فوتون در هر جفت در طول موج نور مرئی(تکه‌های قرمز در داخل و اطراف تشدیدگر) تولید می‌کند؛ فوتون دیگر طول موجی در محدوده‌ی طول موج‌های مخابراتی (NIR) (تکه‌های آبی) دارد. (فوتون) نور مرئی می‌تواند با اتم‌ها، یون‌ها و یا سایر سیستم‌هایی که به عنوان نسخه‌های کوانتومی حافظه کامپیوتر عمل می کنند برهم کنش داشته باشد، در حالی که طول موج مخابراتی از هر زوج برای انتشار از طریق یک شبکه فیبر نوری بر روی فواصل طولانی مناسب است.
برای ایجاد جفت‌های درهم تنیده، تیم یک تشدیدگر حلقوی نوری را به شکل یک تشدیدگر نیترات سیلیسیم نانو مقیاس ایجاد کردند. هنگامی که یک طول موج انتخابی از نور لیزر به تشدیدگر هدایت می‌شود، جفت‌های درهم تنیده فوتون‌های نور مرئی و فوتون‌های NIR گسیل می‌شوند. نوع درهم تنیدگی که توسط تیم استفاده می‌شود به عنوان درهم تنیدگی انرژی- زمان شناخته می‌شود، که انرژی جفت‌های فوتونی را با زمان تولید آنها مرتبط می‌کند.
محقق سیوآن لو گفت: ”ما چگونگی مهندسی این تشدیدگرهای حلقوی برای تولید تعداد زیادی از جفت‌هایی که می‌خواستیم، با نویز پس زمینه بسیار کم و نور خارجی دیگر را کشف کردیم“. محققان تأیید کردند که درهم تنیدگی حتی پس از آنکه فوتون‌ها 20 کیلومتر فیبر نوری را طی کردند ادامه یافت.
معمولاً، فوتون‌های درهم تنیده دارای طول‌موج‌های مشابهی هستند. در این مورد، محققان تعمداً تصمیم گرفتند ”زوج‌های عجیب “ را ایجاد کنند - یعنی درهم تنیدگی بین فوتون‌های با طول‌موج‌های بسیار متفاوت. برای ایجاد فوتون‌های مناسب برای برهم‌کنش با اکثر سیستم‌های ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی، این تیم به نور به شدت تیز در طول موج خاص به جای پهنای طیف گسترده نیاز دارد.
محقق کارتیک سرینیواسن، گفت: ”ما می‌خواستیم فوتون‌های نور مرئی، که برای ذخیره اطلاعات در سیستم‌های اتمی مناسب هستند و فوتون‌های مخابراتی که در نزدیکی مادون قرمز قرار دارند و در پیمایش فیبرهای نوری با اتلاف سیگنال کم مناسب هستند، را به یکدیگر پیوند دهیم“.
محققان بر این باورند که روش‌های طراحی آنها را می‌توان برای ایجاد سایر فوتون‌های جفت‌شده نور مرئی / NIR مناسب برای سیستم‌های خاص استفاده کرد. دستاورد آنها ارتقای توانایی مدارهای مبتنی بر نور برای انتقال ایمن‌تر اطلاعات به مکان‌های دور را نوید می‌دهد.
محققان می‌گویند که در آینده با ترکیب دو جفت درهم تنیده با دو حافظه کوانتومی، درهم تنیدگی ذاتی در جفت‌های فوتون می‌تواند به حافظه‌های کوانتومی منتقل شود. این تکنیک، به عنوان درهم تنیدگی مبادله‌ای شناخته می‌شود، که به حافظه‌ها اجازه می‌دهد با یکدیگر در یک فاصله بسیار طولانی‌تر تا جایی که امکان دارد در هم تنیده باشند.
سرینیواسن گفت: ” سهم ما کشف چگونگی ایجاد یک منبع نور کوانتومی با خواص نوری بود که می‌تواند چنین درهم تنیدگی‌های طولانی را فراهم کند“.
منبع:
https://www.photonics.com/Articles/VisibleTelecom_Entangled_Photon_Pairs_Could/a64420