Ο σύγχρονος κόσμος τροφοδοτείται από ηλεκτρικά κυκλώματα σε ένα “τσιπ” – το τσιπ ημιαγωγών που υποστηρίζει υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, το διαδίκτυο και άλλες εφαρμογές. Το έτος 2025, οι άνθρωποι αναμένεται να δημιουργήσουν 175 zettabytes (175 trillion gigabytes) νέων δεδομένων. Πώς μπορούμε να διασφαλίσουμε την ασφάλεια ευαίσθητων δεδομένων σε τόσο μεγάλο όγκο; Και πώς μπορούμε να αντιμετωπίσουμε μεγάλα προβλήματα, από το απόρρητο και την ασφάλεια έως την κλιματική αλλαγή, αξιοποιώντας αυτά τα δεδομένα, ειδικά δεδομένης της περιορισμένης ικανότητας των τρεχόντων υπολογιστών;
Μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση είναι οι αναδυόμενες τεχνολογίες κβαντικής επικοινωνίας και υπολογισμού. Ωστόσο, για να συμβεί αυτό, θα απαιτηθεί η ευρεία ανάπτυξη ισχυρών νέων κβαντικών οπτικών κυκλωμάτων, κυκλώματα που είναι σε θέση να επεξεργάζονται με ασφάλεια τις τεράστιες ποσότητες πληροφοριών που παράγουμε κάθε μέρα. Οι ερευνητές στο USC’s Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science έχουν κάνει μια σημαντική ανακάλυψη για να βοηθήσουν στην ενεργοποίηση αυτής της τεχνολογίας.
Ενώ ένα παραδοσιακό ηλεκτρικό κύκλωμα είναι ένα μονοπάτι κατά μήκος του οποίου τα ηλεκτρόνια ρέουν από ένα ηλεκτρικό φορτίο, ένα κβαντικό οπτικό κύκλωμα χρησιμοποιεί πηγές φωτός που δημιουργούν μεμονωμένα σωματίδια φωτός, ή φωτόνια, κατ’ απαίτηση, ένα-ένα-χρόνο, που ενεργούν ως bit που μεταφέρουν πληροφορίες (κβαντικά bits ή qubits). Αυτές οι πηγές φωτός είναι “κβαντικές κουκκίδες” ημιαγωγών νανομεγέθους – μικροσκοπικές συλλογές δεκάδων χιλιάδων έως εκατομμυρίων ατόμων συσκευασμένων σε όγκο γραμμικού μεγέθους μικρότερο από το ένα χιλιοστό του πάχους των τυπικών ανθρώπινων μαλλιών που είναι θαμμένα σε μια μήτρα άλλου κατάλληλου ημιαγωγού.
Μέχρι στιγμής έχουν αποδειχθεί ότι είναι οι πιο ευέλικτες γεννήτριες ενός φωτονίου κατ’ απαίτηση. Το οπτικό κύκλωμα απαιτεί αυτές οι πηγές μεμονωμένων φωτονίων να τοποθετούνται σε ένα ημιαγωγό τσιπ σε κανονικό σχέδιο. Στη συνέχεια, τα φωτόνια με σχεδόν ίδιο μήκος κύματος από τις πηγές πρέπει να απελευθερώνονται σε καθοδηγούμενη κατεύθυνση. Αυτό τους επιτρέπει να χειραγωγούνται για να σχηματίζουν αλληλεπιδράσεις με άλλα φωτόνια και σωματίδια για να μεταδίδουν και να επεξεργάζονται πληροφορίες.
Μέχρι τώρα, υπήρχε σημαντικό εμπόδιο στην ανάπτυξη τέτοιων κυκλωμάτων. Για παράδειγμα, στις τρέχουσες τεχνικές κατασκευής οι κβαντικές κουκίδες έχουν διαφορετικά μεγέθη και σχήματα και συναρμολογούνται στο τσιπ σε τυχαίες τοποθεσίες. Το γεγονός ότι οι τελείες έχουν διαφορετικά μεγέθη και σχήματα σημαίνει ότι τα φωτόνια που απελευθερώνουν δεν έχουν ομοιόμορφα μήκη κύματος. Αυτό και η έλλειψη τάξης θέσης τα καθιστούν ακατάλληλα για χρήση στην ανάπτυξη οπτικών κυκλωμάτων.
Σε πρόσφατα δημοσιευμένο έργο, ερευνητές στο USC έχουν δείξει ότι τα μεμονωμένα φωτόνια μπορούν πράγματι να εκπέμπονται με ομοιόμορφο τρόπο από κβαντικές κουκκίδες διατεταγμένες σε ακριβές σχέδιο. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η μέθοδος ευθυγράμμισης των κβαντικών κουκκίδων αναπτύχθηκε για πρώτη φορά στο Πανεπιστήμιο της Νοτ. Καλιφόρνια (USC) από τον επικεφαλή ερευνητή, τον καθηγητή Anupam Madhukar και την ομάδα του πριν από τριάντα χρόνια, πολύ πριν από την τρέχουσα εκρηκτική ερευνητική δραστηριότητα στις κβαντικές πληροφορίες και το ενδιαφέρον για single on-chip single – πηγές φωτονίου. Σε αυτήν την τελευταία δουλειά, η ομάδα του USC έχει χρησιμοποιήσει τέτοιες μεθόδους για να δημιουργήσει μονό-κβαντικές κουκκίδες, με τα αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά εκπομπής ενός φωτονίου. Αναμένεται ότι η ικανότητα ευθυγράμμισης με ακρίβεια των κβαντικών κουκκίδων που εκπέμπει ομοιόμορφα θα επιτρέψει την παραγωγή οπτικών κυκλωμάτων, οδηγώντας ενδεχομένως σε νέες εξελίξεις στις κβαντικές υπολογιστικές και τεχνολογίες επικοινωνιών.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο APL Photonics με επικεφαλής την Jiefei Zhang, επί του παρόντος επίκουρος καθηγητής στο Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, με τον αντίστοιχο συγγραφέα Anupam Madhukar καθηγητή Μηχανικών και Καθηγητής Χημικής Μηχανικής, Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, Επιστήμης Υλικών και Φυσικής.
Ο Madhukar είπε ότι είναι σημαντικό οι κβαντικές κουκκίδες να ταξινομηθούν με ακρίβεια, έτσι ώστε τα φωτόνια που απελευθερώνονται από δύο ή περισσότερες κουκκίδες να μπορούν να χειραγωγηθούν για να συνδεθούν μεταξύ τους στο τσιπ. Αυτό θα αποτελέσει τη βάση της μονάδας δόμησης για κβαντικά οπτικά κυκλώματα.
“Εάν η πηγή από την οποία προέρχονται τα φωτόνια βρίσκεται τυχαία, αυτό δεν μπορεί να συμβεί.” Είπε ο Madhukar.
“Η τρέχουσα τεχνολογία που μας επιτρέπει να επικοινωνούμε στο διαδίκτυο, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας μια τεχνολογική πλατφόρμα όπως το Zoom, βασίζεται στο ηλεκτρονικό τσιπ ενσωματωμένου πυριτίου. Εάν τα τρανζίστορ σε αυτό το τσιπ δεν τοποθετηθούν σε ακριβείς σχεδιασμένες τοποθεσίες, δεν θα υπήρχε ολοκληρωμένη ηλεκτρικό κύκλωμα. Είναι η ίδια απαίτηση για πηγές φωτονίων όπως οι κβαντικές κουκίδες να δημιουργούν κβαντικά οπτικά κυκλώματα“. Συμπλήρωσε ο Madhukar.
Η έρευνα υποστηρίζεται από το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας Πολεμικής Αεροπορίας (AFOSR) και το Γραφείο Έρευνας Στρατού των ΗΠΑ (ARO).
“Αυτή η πρόοδος είναι ένα σημαντικό παράδειγμα για το πώς η επίλυση θεμελιωδών προκλήσεων επιστημονικών υλικών, όπως ο τρόπος δημιουργίας κβαντικών κουκκίδων με ακριβή θέση και σύνθεση, μπορεί να έχει μεγάλες επιπτώσεις για τεχνολογίες όπως η κβαντική πληροφορική“, δήλωσε ο Evan Runnerstrom, διευθυντής προγράμματος του Army Research Office, ένα στοιχείο του U.S. Army Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory. “Αυτό δείχνει πώς οι στοχευμένες επενδύσεις της ARO στη βασική έρευνα υποστηρίζουν τις διαρκείς προσπάθειες εκσυγχρονισμού του Στρατού σε τομείς όπως η δικτύωση“.
Αυτό σημαίνει ότι για πρώτη φορά οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν επεκτάσιμα κβαντικά φωτονικά τσιπ χρησιμοποιώντας καθιερωμένες τεχνικές επεξεργασίας ημιαγωγών. Επιπλέον, οι προσπάθειες της ομάδας επικεντρώνονται τώρα στον προσδιορισμό του πόσο πανομοιότυπου είναι τα εκπεμπόμενα φωτόνια από το ίδιο ή / και από διαφορετικές κβαντικές κουκκίδες. Ο βαθμός διακριτότητας είναι κεντρικός για τα κβαντικά αποτελέσματα παρεμβολών και εμπλοκής, που υποστηρίζουν την επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας – επικοινωνία, ανίχνευση, απεικόνιση ή υπολογισμό.
Επιστημονικό Άρθρο:
Jiefei Zhang, Qi Huang, Lucas Jordao, Swarnabha Chattaraj, Siyuan Lu, Anupam Madhukar. Planarized spatially-regular arrays of spectrally uniform single quantum dots as on-chip single photon sources for quantum optical circuits. APL Photonics, 2020
