اپتیک و کوانتوم

نسل جدیدی از فیبرهای نوری تخصصی توسط فیزیکدانان دانشگاه باث در بریتانیا برای مقابله با چالش‌های انتقال داده که انتظار می‌رود در عصر محاسبات کوانتومی آینده ایجاد شود، توسعه داده‌ شده اند.

فناوری‌های کوانتومی نویدبخش ارائه قدرت محاسباتی بی‌نظیر هستند و به ما امکان می‌دهند مشکلات منطقی پیچیده را حل کنیم، داروهای جدید توسعه دهیم و تکنیک‌های رمزنگاری نشکن برای ارتباطات امن ارائه کنیم. با این حال، شبکه‌های کابلی که امروزه برای انتقال اطلاعات در سراسر جهان استفاده می‌شوند، به دلیل هسته‌های جامد فیبرهای نوری، احتمالاً برای ارتباطات کوانتومی کمتر از حد مطلوب هستند.

بر خلاف فیبرهای نوری معمولی، فیبرهای تخصصی ساخته شده در Bath دارای یک هسته ریز ساختاری هستند که از الگوی پیچیده ای از حفره های هوا در تمام طول فیبر تشکیل شده است. فیبرهای نوری معمولی که در شبکه های مخابراتی ما امروزی هستند، نور را در طول موج هایی که به طور کامل توسط تلفات شیشه سیلیسی کنترل می شود، منتقل می کنند. دکتر کریستینا روسیمووا از دپارتمان فیزیک در بات درمورد اجزای نوری فعال، که برای فناوری های کوانتومی مبتنی بر نور مورد نیاز است، توضیح می دهند. دکتر روسیمووا و همکارانش در یک مقاله آکادمیک منتشر شده در Applied Physics Letters Quantum، الیاف پیشرفته ساخته شده در Bath را همراه با سایر پیشرفت های اخیر و آینده در زمینه نوظهور محاسبات کوانتومی توصیف می کنند.

دکتر روسیمووا که نویسنده ارشد این مقاله است، افزود: «طراحی و ساخت فیبر نوری در خط مقدم تحقیقات فیزیک دانشگاه باث قرار دارد و فیبرهای نوری که ما در حال توسعه با کامپیوترهای کوانتومی در ذهن هستیم، به عنوان پایه و اساس نیازهای فردای انتقال داده هستند.." نور یک محیط امیدوارکننده برای محاسبات کوانتومی است. ذرات منفرد نور که فوتون نامیده می شوند دارای برخی ویژگی های کوانتومی منحصر به فرد هستند که می توانند توسط فناوری های کوانتومی مهار شوند. یکی از این مثال‌ها درهم تنیدگی کوانتومی است، که در آن دو فوتون که با فاصله زیادی از هم جدا شده‌اند، نه تنها اطلاعاتی درباره یکدیگر نگه می‌دارند، بلکه می‌توانند فوراً بر خصوصیات یکدیگر تأثیر بگذارند. برخلاف بیت‌های دوتایی رایانه‌های کلاسیک (یک یا صفر)، جفت فوتون‌های درهم‌تنیده می‌توانند همزمان به صورت یک و صفر وجود داشته باشند.

دکتر کامرون مک گاری، فیزیکدان در Bath و اولین نویسنده مقاله، گفت: «اینترنت کوانتومی یک عنصر ضروری در تحقق وعده‌های گسترده چنین فناوری کوانتومی در حال ظهور است.» مانند اینترنت موجود، یک اینترنت کوانتومی برای ارائه اطلاعات از گره به گره دیگر به فیبرهای نوری متکی است. این فیبرهای نوری احتمالاً بسیار متفاوت از آنهایی هستند که در حال حاضر استفاده می شوند و برای مفید بودن به فناوری پشتیبانی متفاوتی نیاز دارند. در دیدگاه خود، محققان چالش‌های مرتبط با اینترنت کوانتومی را از دیدگاه فناوری فیبر نوری مورد بحث قرار می‌دهند و مجموعه‌ای از راه‌حل‌های بالقوه را برای مقیاس‌پذیری یک شبکه کوانتومی قوی و در مقیاس وسیع ارائه می‌کنند. این هم فیبرهایی را در بر می گیرد که برای ارتباطات دوربرد مورد استفاده قرار می گیرند و هم فیبرهای ویژه ای که امکان تکرار کننده های کوانتومی را فراهم می کند که مستقیماً در شبکه ادغام می شوند تا فاصله ای را که این فناوری می تواند در آن کار کند را گسترش دهد.

همچنین توضیح می‌دهد که چگونه فیبرهای نوری تخصصی می‌توانند فراتر از اتصال گره‌های یک شبکه به پیاده‌سازی محاسبات کوانتومی در خود گره‌ها با عمل به عنوان منابع تک فوتون‌های درهم‌تنیده، مبدل‌های طول موج کوانتومی، سوئیچ‌های کم تلفات یا مخازن حافظه‌های کوانتومی عمل کنند. دکتر مک گری گفت: «برخلاف فیبرهای نوری که به طور استاندارد برای ارتباطات از راه دور استفاده می‌شوند، فیبرهای تخصصی که به طور معمول در Bath ساخته می‌شوند، دارای هسته‌ای با ساختار میکرو هستند که شامل الگوی پیچیده‌ای از حفره‌های هوا است که در تمام طول فیبر قرار دارند. الگوی این حفره‌های هوا چیزی است که به محققان اجازه می‌دهد تا خواص نور درون فیبر را دستکاری کرده و جفت‌های درهم تنیده فوتون ایجاد کنند، رنگ فوتون‌ها را تغییر دهند یا حتی اتم‌های منفرد را در داخل الیاف به دام بیندازند.»

دکتر کریان هرینگتون که یک محقق فوق دکترا در دپارتمان فیزیک است، گفت: «محققان در سراسر جهان پیشرفت‌های سریع و هیجان‌انگیزی را در قابلیت‌های فیبرهای نوری ریزساختار به روش‌های مورد علاقه صنعت انجام می‌دهند. دیدگاه ما پیشرفت های هیجان انگیز این الیاف جدید و اینکه چگونه می توانند برای فناوری های کوانتومی آینده مفید باشند را توصیف می کند. دکتر الکس دیویس، عضو EPSRC در شتاب‌دهی شغلی کوانتومی در Bath، افزود: «این توانایی الیاف برای محدود کردن نور و انتقال آن در فواصل طولانی است که آنها را مفید می‌کند. علاوه بر تولید فوتون‌های درهم‌تنیده، این به ما امکان می‌دهد حالت‌های کوانتومی عجیب‌تری از نور را با برنامه‌های کاربردی در محاسبات کوانتومی، حسگری دقیق و رمزگذاری پیام تولید کنیم. مزیت کوانتومی - توانایی یک دستگاه کوانتومی برای انجام کارها کارآمدتر از یک کامپیوتر معمولی - هنوز به طور قطعی نشان داده نشده است. چالش‌های تکنولوژیکی شناسایی‌شده در این چشم‌انداز احتمالاً راه‌های جدیدی را برای تحقیقات کوانتومی باز می‌کند و ما را به دستیابی به این نقطه عطف مهم نزدیک‌تر می‌کند. انتظار می رود فیبرهای نوری ساخته شده در Bath به ایجاد پایه های کامپیوترهای کوانتومی آینده کمک کنند. تیم محققان در Bath همچنین شامل استاد ارشد، دکتر پیتر موزلی بود.

More information: Cameron McGarry et al, Microstructured optical fibers for quantum applications: Perspective, APL Quantum (2024).