Kvantinės fotonikos pažanga žada naują galingų optinių grandinių erą

Kvantinės optinės grandinės, naudojančios fotonus, šviesos daleles, signalizuojančios apie naują saugaus ryšio ateitį pirmuoju būdu pasaulyje և kvantinis skaičiavimas,

Šiuolaikinis pasaulis maitinamas elektros grandinėmis – „mikroschemoje“ – puslaidininkių mikroschema, kuri yra kompiuterių, mobiliųjų telefonų, interneto ir kitų programų pagrindas. Tikimasi, kad 2025 m. Žmonės sukurs 175 zettabaitus (175 trilijonus gigabaitų) naujų duomenų, Kaip mes galime užtikrinti slaptų duomenų saugumą tokiu dideliu kiekiu? Ir kaip mes galime panaudoti šiuos duomenis, ypač atsižvelgiant į ribotas šių dienų kompiuterių galimybes, išspręsti tokius didelius iššūkius, pradedant privatumu, baigiant saugumu ir baigiant klimato kaita?

Atsiranda perspektyvi alternatyva kvantinėms komunikacijos ir skaičiavimo technologijoms. Tačiau, kad tai įvyktų, reikės plačiai naudoti galingas naujas kvantines optines grandines. lustai, kurie gali saugiai apdoroti didžiulį kiekį informacijos, kurią gauname kiekvieną dieną. Tyrėjai: USC:Morkaus šeima և Chemijos inžinerijos katedra և Medžiagų mokslas padarė pažangą, kad padėtų naudoti šią technologiją.

Nors tradicinė elektros grandinė yra kelias, kuriuo teka elektronų krūvio elektronai, kvantinė optinė grandinė naudoja šviesos šaltinius, kurie pagal poreikį generuoja atskiras šviesos daleles ar fotonus, veikdami kaip informacijos bitai vienu metu. (kvantinis bitas arba kubitas). Šie šviesos šaltiniai yra nano-puslaidininkiniai „kvantiniai taškai“. Dešimčių tūkstančių iki vieno milijono atomų kolekcijos, supakuotos tiesiniu dydžiu, mažesne nei viena tūkstantoji tipiško žmogaus plaukų storio, palaidotos kitoje patogioje puslaidininkių matricoje. ,

Įrodyta, kad jie yra vieninteliai universaliausi fotonų generatoriai, kurių paklausa iki šiol. Optinei grandinei reikia, kad šie pavieniai fotonų šaltiniai būtų išdėstyti puslaidininkių mikroschemoje įprastu modeliu. Fotonai, kurių bangos ilgiai iš šaltinių yra beveik vienodi, turi būti paleisti vadovaujama kryptimi. Tai leidžia jiems manipuliuoti perduoti informaciją, apdoroti kitus fotonus, sąveikauti su dalelėmis.

Iki šiol tokių grandinių plėtrai buvo kliūčių. Pavyzdžiui, taikant dabartinę gamybos technologiją, kvantiniai taškai būna skirtingo dydžio, jie renkami ant lusto atsitiktinėse vietose. Tai, kad taškai turi skirtingus dydžius ir formas, reiškia, kad jų skleidžiami fotonai neturi vienodo bangos ilgio. Dėl šios padėties nebuvimo jie nėra tinkami naudoti kuriant optines grandines.

Neseniai atliktame tyrime USC tyrėjai parodė, kad iš to paties kiaušinio iš tikrųjų gali išsiskirti pavieniai fotonai, tiksliai išdėstyti kvantiniai taškai. Reikėtų pažymėti, kad kvantinių taškų sulyginimo metodą pirmą kartą USC sukūrė beveik prieš trisdešimt metų, pirmaujantis PI, profesorius Anupamas Madhukaras his ir jo komanda, dar gerokai prieš dabartinę sprogstamąją kvantinės informacijos tyrimų veiklą – fotonų šaltiniai: Šiame naujausiame darbe USC komanda naudojo tokius metodus kurdama pavienius kvantinius taškus su savo fotonų emisijos charakteristikomis. Tikimasi, kad galimybė tiksliai sulyginti vienodai skleidžiančius kvantinius taškus leis gaminti optines grandines, o tai gali sukelti naujų pažangų kvantinių skaičiavimų ir ryšių technologijose.

Išleistas darbas APL fotonika:, vadovaujamas šiuo metu Morkų šeimos արտար Chemijos inžinerijos katedros և Medžiagų mokslo tyrinėtojo Ifei Hang Ango, korespondentas autorius Anupam Madhukar, Kenneth T. Norriso inžinerijos profesorius – chemijos inžinerijos, elektrotechnikos, medžiagų mokslo profesorius. Fizika:

„Proveržis atveria kelią tolesniems veiksmams, reikalingiems pereiti nuo vienos fotonų fizikos laboratorijos demonstravimo iki kvantinės fotonų grandinės mikroschemų skalės gamybos“, – sakė Hangas Angas. “Jis gali būti pritaikytas kvantiniam (saugiam) ryšiui, vaizdavimui, jutimui, kvantiniam modeliavimui.”

Madhukaras teigė, kad kvantinius taškus buvo galima užsisakyti tiksliai, kad būtų galima manipuliuoti fotonais, išsiskyrusiais iš dviejų ar daugiau taškų, kad jie prisijungtų prie lusto. Tai bus kvantinių optinių grandinių kūrimo įrenginio pagrindas.

“Jei fotonų šaltinis yra atsitiktinai, tai negali atsitikti”. Madhukaras pasakė.

„Dabartinė technologija, leidžianti mums bendrauti internetu, pavyzdžiui, per tokią technologinę platformą kaip„ Zoom “, yra pagrįsta integruota silicio elektronine mikroschema. „Jei toje mikroschemoje esantys tranzistoriai nebūtų sumontuoti tiksliai suprojektuotose vietose, nebūtų integruotos elektros jungties“, – sakė Madhukaras. “Norint sukurti kvantines optines grandines, tai yra tas pats reikalavimas fotonų šaltiniams, kaip ir kvantiniams taškams.”

„Šis proveržis yra pavyzdys, kaip pagrindinės medžiagos mokslo iššūkiai, pavyzdžiui, kaip tiksliai nustatyti kvantinius taškus ir sudėtį, gali turėti toli siekiančių technologijų, tokių kaip kvantinis skaičiavimas, pasekmes“, – sakė Evanas Runnerstromas. JAV kariuomenės pajėgumų plėtros vadovybės kariuomenės tyrimų laboratorijos programos pareigūnas. “Tai rodo, kaip tikslinės ARO investicijos į pagrindinius tyrimus palaiko tvarias karines modernizavimo pastangas tokiose srityse kaip tinklas”.

Norėdami sukurti tikslų grandinių kvantinių taškų išlyginimą, komanda naudojo metodą, pavadintą SESRE („Infrastructure Reduction Epitaxy“), sukurtą Madhukaro grupėje 1990-ųjų pradžioje. Atliekant šį darbą, komanda paruošė taisyklingas nanometro dydžio masių mases (1 pav. A)) su apibrėžta krašto orientacija ant plokščio puslaidininkio pagrindo, susidedančio iš galio arsenido (GaAs). Tada ant vidurio taškų sukuriami kvantiniai taškai, pridedant atitinkamus atomus, naudojant šią techniką.

Kvantinės fotonikos optinės grandinės

1 paveikslas. A) Sklandaus elektroninio mikroskopo (SEM) nanometrinės masės vaizdas, sukurtas ant lygaus puslaidininkio padėklo. b) Mesa profilio evoliucijos schema, kai dedama juoda strėlė, rodanti atomo migracijos kryptį, vedančią pirmiausia į GaAs dydžio sumažėjimą (SESRE požiūris) և, tada į kvantinių taškų išdėstymą InAs (raudona) iki sumažinto dydžio: mesa iki Ga su GaAs palaidoti raudonus InAs; Žemiau yra Mesa, kuriame yra vienas kvantinis taškas, SEM vaizdas. (c) nurodo realizuoto kvantinio taško, palaidoto po planuojamu GaAs paviršiumi, masę, simboliškai vaizduojamą kaip permatomas dangtis, leidžiantis atspindėti (GaA yra nepermatomas). Paskola: USC

Pirma, gaunami galio (Ga) atomai surenkami ant paviršiaus skleidžiamų energijos jėgų užfiksuotų nanodalelių dalelių (1 pav. B. S rodyklės), kur juos laiko GaAs (juodas kontūras prie artimiausios smailės, 1 pav.). paverčiamas indio (Ner) atomais, kuris savo ruožtu išlaiko indio arseną (InAs) (raudonas apskritimas, 1 pav. b)), po kurio eina Ga atomai, kad susidarytų GaAs, taip suformuodami norimą individualų kvantą. : taškai (pavaizduoti aukščiau 1 pav. b)), kurie baigiasi atskirų fotonų emisija. Norint būti naudingam kuriant optines grandines, paviršiaus lyginimo priemone reikia užpildyti piramidės formos nanomezų erdvę. Galutinė mikroschema yra schematiškai pavaizduota 1 paveiksle (c), kur nepermatomas GaA parodytas kaip permatoma danga, po kuria yra kvantiniai taškai.

Šis darbas nustato naują didelio masto kvantinių taškų, viršijančių 99,5% vienos fotono emisijos grynumą ir fotonų emisijos bangos ilgio tolygumą, pasaulio rekordą, kuris gali būti siauras kaip 1,8 nm, o tai yra 20–40 koeficientas yra geriau nei tipiški kvantiniai taškai “, – sakė Zangas.

Hang Angas teigė, kad taikant šį vienarūšiškumą galima naudoti nustatytus metodus, tokius kaip vietinis šildymas ar elektriniai laukai, norėdami sureguliuoti kvantinių taškų fotonų bangų ilgį taip, kad jie tiksliai atitiktų vienas kitą, o tai yra būtina norint sukurti reikiamą skirtingų kvantinių taškų sujungimas. grandinėms.

Tai reiškia, kad pirmą kartą tyrėjai gali sukurti didelio masto kvantinių fotonų mikroschemas naudodami patikrintas puslaidininkių apdorojimo technologijas. Be to, komanda dabar siekia išsiaiškinti, kiek panašūs yra tų pačių և (arba) skirtingų kvantinių taškų skleidžiami fotonai. Nematomumo laipsnį gali lemti kvantinis interferencijos ir įsipainiojimo poveikis, kuris yra kvantinės informacijos apdorojimo pagrindas: bendravimas, tikrinimas, suvokimas ar kompiuteris.

Hangas padarė išvadą. „Dabar mes turime materialinės platformos metodą teikdami didelius, gerai reguliuojamus šaltinius, kurie generuoja potencialiai nepastebimus pavienius fotonus, kad būtų galima naudoti kvantinę informaciją. Šis metodas yra įprastas և gali būti naudojamas derinant kitas tinkamas medžiagas, kad būtų sukurti kvantiniai taškai, skleidžiami per įvairius bangos ilgius, kurie yra pageidautini įvairiems tikslams, pvz., Šviesolaidiniam ryšiui ar vidutiniam infraraudonųjų spindulių režimui, tinkamam aplinkos stebėjimui. medicininė diagnozė. Sakė budelis.

Gernot S. Pomrenke, OPOSR, „Optoelektronikos և fotonikos“ vadovas, teigė, kad patikimos mikroschemų masės, reikalaujančios pavienių fotonų šaltinių, yra didelis žingsnis į priekį.

„Su šiuo įspūdingu augimu medžiagos mokslo darbas tęsiasi per tris dešimtmečius dedikuotas pastangas, kol kvantinės informacijos tyrimai tapo pagrindine kryptimi“, – sakė Pomrenke. „AFOSR išankstinis finansavimas other Kitų DoD agentūrų ištekliai yra labai svarbūs Madhukaro, jo studentų, sunkaus darbo: kolegų vizijos vizijai. “Yra didelė tikimybė, kad šis darbas pervers duomenų centrų galimybes, medicininę diagnostiką, gynybą ir susijusias technologijas”.

Nuoroda. „Spect Ifei hang angi, i i Huang, Lucas Jord sūnus, Swarnaba Chataraji, Siwan Louis ու Anupam Madhukari, lapkričio 20 d., APL fotonika:,
DOI: 10.1063 / 5.0018422:

Straipsnio bendraautoriai yra Qi Huang, Lucas Jordao iš USC Morko chemijos inžinerijos ir medžiagų mokslo departamento, Swarnabha Chattaraj iš Ming Hsieh elektros ir kompiuterių inžinerijos տեխն Siyuan Lu iš IBM Thomas J. Watson Research iš centro.

Tyrimą palaiko Karinių oro pajėgų tyrimų biuras (AFOSR) ir JAV armijos tyrimų biuras (ARO).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Didžiausia aplinkos šalinimo kaukė – ir kaip ją sumažinti

Naujas tyrimas nustatė naudojamo N95 išeikvojimą ir pasiūlė tinkamus būdus jį sumažinti. Nuo praėjusiais metais prasidėjusios „Covid-19“ epidemijos, užrištos akys tapo dar viena sveikatos apsaugos...

Neuromediatorių lygis smegenyse nuspėja matematinius sugebėjimus

Skenavimas buvo baigtas 1 ir 2 metu (maždaug po 1,5 metų) kiekvienoje iš penkių amžiaus grupių (6-erių, 10-mečių, 14-mečių, 16-mečių ir 18 metų) -metukai)....

Genetikai atskleidžia mutacijas, sukeliančias sunkų vaikystės vėžį – vartokite vaistus, kad pašalintumėte jų šalutinį poveikį

Trejybės koledžo genetikai atrado specifinio geno, vadinamo H3K27M, mutaciją, sukeliančią neišgydomą vaikystės vėžį, vadinamą diffi midi glioma (DMG). Augimas taikant tikslinius vaistus. Jų istoriniai...

Neigiamų jonų sulaikymas tarpžvaigždinėje erdvėje

Kaip tarpžvaigždinėje aplinkoje kuriamos neigiamai įkrautos molekulės? Tarpžvaigždiniai debesys yra naujų žvaigždžių gimtinė. Tačiau jie taip pat vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant gyvenimą visatoje per...

Naujas algoritmas skrenda greičiau nei bepiločiai orlaiviai nei pasaulinės klasės žmonių rasės pilotai

Dronas, skrendantis per Dūmus, kad įsivaizduotų kompleksinius aerodinaminius efektus. Paskola Robotikos խումբ suvokimo grupė, Juricho universitetas Norėdami būti naudingi, bepiločiai orlaiviai turi būti...

Newsletter

Subscribe to stay updated.