“التنفس” بين الذرات – لبنة بناء جديدة لتكنولوجيا الكم
اكتشف باحثون من جامعة واشنطن أنهم يستطيعون اكتشاف “التنفس” الذري ، أو الاهتزاز الميكانيكي بين طبقتين من الذرات ، من خلال مراقبة نوع الضوء الذي تنبعث منه تلك الذرات عند تحفيزها بواسطة الليزر. يمكن أن يساعد صوت هذا “النفس” الذري الباحثين على ترميز ونقل المعلومات الكمومية.
طور الباحثون أيضًا جهازًا يمكن أن يكون بمثابة نوع جديد من اللبنات الأساسية لتقنيات الكم ، والتي من المتوقع على نطاق واسع أن يكون لها العديد من التطبيقات المستقبلية في مجالات مثل الحوسبة والاتصالات وتطوير أجهزة الاستشعار.
وقد نشر الباحثون هذه النتائج في 1 يونيو في Nature Nanotechnology.
قال كبير المؤلفين مو لي ، أستاذ الهندسة الكهربائية والكمبيوتر والفيزياء في جامعة واشنطن . “إنه يوفر نوعًا جديدًا من التأثير الكمي المتضمن الذي يمكن استخدامه للتحكم في فوتونات مفردة تعمل عبر دوائر ضوئية متكاملة للعديد من التطبيقات.”
في السابق ، درس الفريق شبه جسيم على مستوى الكم يسمى “إكسيتون”. يمكن تشفير المعلومات في إكسيتون ثم إطلاقها في شكل فوتون – جسيم صغير من الطاقة يُعتبر الوحدة الكمومية للضوء. يمكن أن تعمل الخصائص الكمية لكل فوتون منبعث – مثل استقطاب الفوتون و / أو الطول الموجي و / أو توقيت الانبعاث – بمثابة جزء كمي من المعلومات ، أو “كيوبت” ، للحوسبة الكمومية والتواصل. ولأن هذا الكيوبت يحمله الفوتون ، فإنه ينتقل بسرعة الضوء.
وقالت المؤلفة الرئيسية أدينا ريبين Adina Ripin ، وهي طالبة دكتوراه في الفيزياء في جامعة ويسكونسن: “وجهة النظر الشاملة لهذا البحث هي أنه من أجل الحصول على شبكة كمية بشكل عملي ، نحتاج إلى طرق موثوقة لإنشاء وتشغيل وتخزين ونقل الكيوبتات”. “تعد الفوتونات خيارًا طبيعيًا لنقل هذه المعلومات الكمومية لأن الألياف الضوئية تمكننا من نقل الفوتونات لمسافات طويلة بسرعات عالية ، مع فقد منخفض للطاقة أو المعلومات.”
كان الباحثون يعملون مع الإكسيتونات من أجل إنشاء باعث فوتون واحد ، أو “باعث كمي” ، وهو مكون مهم لتقنيات الكم القائمة على الضوء والبصريات. للقيام بذلك ، وضع الفريق طبقتين رفيعتين من ذرات التنغستن والسيلينيوم ، المعروفة باسم ديسيلينيد التنجستن ، فوق بعضها البعض.
عندما طبق الباحثون نبضة دقيقة من ضوء الليزر ، قاموا بطرد إلكترون ذرة التنغستن ثنائي السيلنيد بعيدًا عن النواة ، مما أدى إلى توليد شبه جسيم إكسيتون. يتكون كل إكسيتون من إلكترون سالب الشحنة على طبقة واحدة من ديسيلينيد التنجستن وثقب موجب الشحنة حيث كان الإلكترون موجودًا في الطبقة الأخرى. ولأن الشحنات المعاكسة تجتذب بعضها البعض ، فإن الإلكترون والثقب في كل إكسايتون مرتبطان بإحكام ببعضهما البعض. بعد لحظة قصيرة ، عندما عاد الإلكترون إلى الحفرة التي كان يشغلها سابقًا ، أطلق الإكسيتون فوتونًا واحدًا مشفرًا بالمعلومات الكمومية – مما أدى إلى إنتاج الباعث الكمي الذي سعى الفريق إلى إنشائه.
لكن الفريق اكتشف أن ذرات التنغستن ديسلينيد تنبعث منها نوع آخر من أشباه الجسيمات ، يُعرف باسم الفونون. الفونونات هي نتاج اهتزاز ذري يشبه التنفس. هنا ، عملت الطبقتان الذريتان من مادة ثنائي سيلينيد التنجستن مثل رؤوس طبول صغيرة تهتز بالنسبة لبعضها البعض ، مما أدى إلى إنتاج الفونونات. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة الفونونات في باعث فوتون واحد في هذا النوع من النظام الذري ثنائي الأبعاد.
عندما قاس الباحثون طيف الضوء المنبعث ، لاحظوا عدة قمم متباعدة بشكل متساوٍ. يقترن كل فوتون منفرد ينبعث من إكسايتون بواحد أو أكثر من الفونونات. هذا يشبه إلى حد ما تسلق سلم طاقة كمي بدرجة واحدة في كل مرة ، وعلى الطيف ، تم تمثيل طفرات الطاقة هذه بصريًا من خلال القمم المتساوية المسافات.
قال لي ، وهو أيضًا عضو في اللجنة التوجيهية لـ كوانتومكس في جامعة واشنطن ، وعضو هيئة التدريس في معهد الأنظمة المهندسة بالنانو. “هذا له تأثير قوي بشكل ملحوظ على الخصائص البصرية للفوتون المنبعث من الإكسيتون الذي لم يتم الإبلاغ عنه من قبل.”
كان الباحثون فضوليين فيما إذا كان بإمكانهم تسخير الفونونات لتقنية الكم. قاموا بتطبيق الجهد الكهربائي ورأوا أنه يمكنهم تغيير طاقة التفاعل للفونونات المرتبطة والفوتونات المنبعثة. كانت هذه الاختلافات قابلة للقياس والتحكم بطرق ذات صلة بتشفير المعلومات الكمية في انبعاث فوتون واحد. وقد تم تحقيق كل هذا في نظام واحد متكامل – جهاز يتضمن عددًا صغيرًا من الذرات.
بعد ذلك ، يخطط الفريق لبناء دليل موجي – ألياف على شريحة تلتقط انبعاثات فوتون واحد وتوجهها إلى حيث يحتاجون إلى الذهاب – ثم توسيع نطاق النظام. بدلاً من التحكم في باعث كمي واحد فقط في كل مرة ، يريد الفريق أن يكون قادرًا على التحكم في بواعث متعددة وحالات الفونون المرتبطة بها. سيمكن هذا بواعث الكم من “التحدث” مع بعضها البعض ، وهي خطوة نحو بناء قاعدة صلبة للدوائر الكمومية.
وضح لي: “هدفنا الشامل هو إنشاء نظام متكامل مع بواعث كمومية يمكنها استخدام فوتونات مفردة تمر عبر الدوائر الضوئية والفونونات المكتشفة حديثًا للقيام بالحوسبة الكمومية والاستشعار الكمي”. “من المؤكد أن هذا التقدم سيساهم في هذا الجهد ، ويساعد على زيادة تطوير الحوسبة الكمية التي سيكون لها في المستقبل العديد من التطبيقات.”
