اپتیک و کوانتوم

در یک جهش قابل توجه برای فناوری کوانتومی، محققان به نقطه عطفی در مهار بعد فرکانس در فوتونیک مجتمع دست یافته اند. این پیشرفت نه تنها نویدبخش پیشرفت در محاسبات کوانتومی است، بلکه زمینه را برای شبکه های ارتباطی فوق امن فراهم می کند.

فوتونیک مجتمع، دستکاری نور در مدارهای کوچک روی تراشه های سیلیکونی، به دلیل مقیاس پذیری و سازگاری با زیرساخت های مخابراتی موجود، مدت ها برای کاربردهای کوانتومی نویدبخش بوده است. در مطالعه‌ای که در Advanced Photonics  منتشر شده است، محققان مرکز علوم و نانوتکنولوژی (C2N)، تله‌کام پاریس، و STMicroelectronics (STM)  با توسعه تشدیدگرهای حلقه‌ای سیلیکونی با ردپایی کمتر از 0.05 میلی‌متر مربع که قادر به تولید بیش از 70 کانال های فرکانسی متمایز با فاصله 21 گیگاهرتز هستند که بر محدودیت‌های قبلی غلبه کرده‌اند.  این امکان موازی سازی و کنترل مستقل 34 گیت تک کیوبیت را با استفاده از سه دستگاه استاندارد الکترواپتیک فراهم می کند. این دستگاه می تواند به طور موثر جفت فوتون های درهم تنیده با فرکانس را تولید کند که اجزای حیاتی در ساخت شبکه های کوانتومی و به راحتی قابل دستکاری هستند.

نوآوری کلیدی در توانایی آنها برای بهره برداری از این جداسازی های فرکانسی باریک برای ایجاد و کنترل حالت های کوانتومی نهفته است. آنها با استفاده از تشدیدگرهای حلقه ای یکپارچه، با موفقیت حالت های درهم تنیده با فرکانس را از طریق فرآیندی به نام اختلاط چهار موجی خود به خود ایجاد کردند. این تکنیک به فوتون‌ها اجازه می‌دهد تا برهم‌کنش داشته باشند و درهم بپیچند که یک قابلیت حیاتی برای ساخت مدارهای کوانتومی است. آنچه این تحقیق را متمایز می کند، کاربردی بودن و مقیاس پذیری آن است. محققان با استفاده از کنترل دقیق ارائه شده توسط تشدیدگرهای سیلیکونی خود، عملکرد همزمان 34 گیت تک کیوبیت را با استفاده از تنها سه دستگاه الکترواپتیک خارج از قفسه نشان دادند. این پیشرفت، ایجاد شبکه‌های کوانتومی پیچیده را امکان‌پذیر می‌سازد که در آن‌ها می‌توان چند کیوبیت را به‌طور مستقل و موازی دستکاری کرد.

برای تأیید رویکرد خود، این تیم آزمایش‌هایی را در C2N انجام دادند که توموگرافی حالت کوانتومی را روی 17 جفت کیوبیت حداکثر درهم‌تنیده در بین‌های فرکانس مختلف نشان داد. این توصیف دقیق، همدوسی حالت‌های کوانتومی آن‌ها را تأیید کرد و گامی مهم به سوی محاسبات کوانتومی عملی را نشان داد. شاید مهم‌تر از همه، محققان با ایجاد شبکه‌ای که به اعتقاد آنها اولین شبکه کوانتومی پنج کاربره کاملا متصل در حوزه فرکانس است، به نقطه عطفی در شبکه‌سازی دست یافتند. این دستاورد راه های جدیدی را برای پروتکل های ارتباطی کوانتومی باز می کند که بر انتقال ایمن اطلاعات رمزگذاری شده در حالت های کوانتومی متکی هستند. با نگاهی به آینده، این تحقیق نه تنها قدرت فوتونیک سیلیکون را در پیشرفت فناوری‌های کوانتومی نشان می‌دهد، بلکه راه را برای کاربردهای آینده در محاسبات کوانتومی و ارتباطات امن هموار می‌کند. با پیشرفت‌های مداوم، این پلت‌فرم‌های فوتونیک یکپارچه می‌توانند صنایع وابسته به انتقال امن داده‌ها را متحول کنند و سطوح بی‌سابقه‌ای از قدرت محاسباتی و امنیت داده را ارائه دهند.

دکتر Antoine Henry از C2N و Télécom Paris اظهار می کنند: "کار ما نشان می دهد که چگونه فرکانس باین را می توان برای کاربردهای مقیاس بزرگ در اطلاعات کوانتومی مورد استفاده قرار داد. ما معتقدیم که دیدگاه هایی را برای معماری های دامنه فرکانس مقیاس پذیر برای ابعاد بالای ارتباطات کوانتومی با منابع کارآمد ارائه می دهد." هنری اشاره می کند که تک فوتون ها در طول موج های مخابراتی برای کاربردهای دنیای واقعی ایده آل هستند. مهار شبکه‌های فیبر نوری موجود با فوتونیک یکپارچه، امکان کوچک‌سازی، پایداری و مقیاس‌پذیری بالقوه را برای افزایش پیچیدگی دستگاه‌ها و در نتیجه تولید جفت فوتون کارآمد و سفارشی­سازی برای پیاده‌سازی شبکه‌های کوانتومی با رمزگذاری فرکانس در طول موج مخابراتی فراهم می‌کند.

More information: Antoine Henry et al, Parallelization of frequency domain quantum gates: manipulation and distribution of frequency-entangled photon pairs generated by a 21 GHz silicon microresonator, Advanced Photonics.(2024)