اپتیک و کوانتوم

این سیستم های مختلف را می توان با استفاده از فرآیندهای کوانتومی برای تشکیل شبکه های ارتباطی کوانتومی کوپل کرد. ارتباطات ایمن، محاسبات کوانتومی توزیع شده و حسگری کوانتومی تنها برخی از کاربردهای بالقوه قابل توجه هستند.

تقریباً به همان روشی که الکترونیک یکپارچه سیلیکونی مینیاتوری، تکامل پردازنده‌های رایانه را از مجموعه‌های خازن‌ها، تیوپ‌ها و آهن‌رباها در مقیاس اتاق بزرگ به ریزتراشه‌های کوچک اما قدرتمند حاوی میلیون‌ها جزء که فناوری‌های مدرن و «هوشمند» ما بر آن‌ها مبتنی است، امکان‌پذیر کرد. اجزا و فرآیندهای کوانتومی باید با استفاده از اپتیک مجتمع کوچک شوند تا راه را برای استقرار در مقیاس بزرگ و استفاده از علم اطلاعات کوانتومی فراتر از آزمایش‌های مقیاس آزمایشگاهی و به سمت استفاده‌های واقعی هموار کنند.

کاربید سیلیکون (SiC) یک پلتفرم پیشرو برای فرآیندهای یکپارچه و مجتمع است که در سال‌های اخیر با استفاده از آن در سیستم‌های الکترونیکی یکپارچه فناوری‌های سبز مانند وسایل نقلیه الکتریکی موردتوجه قرار گرفته است. در حوزه علوم کوانتومی، SiC  به عنوان یک ماده امیدوارکننده برای فوتونیک کوانتومی مجتمع (IQP) ظهور کرده است، که بر مشکلات مقیاس پذیری که در مواد دیگر مانند سیلیکون دیده می شود، غلبه می کند. ویژگی‌های منحصربه‌فرد SiC، آن را برای فرآیندهای نوری کوانتومی یکپارچه ایده‌آل می‌کند، با این حال چالش‌هایی در بهره‌گیری از پتانسیل کامل آن وجود دارد. پیشرفت‌های اخیر در تولید فوتون‌های درهم‌تنیده بر روی ریزتراشه‌های SiC، گامی مهم در جهت بازگشایی قابلیت‌های آن برای کاربردهای عملی کوانتومی است.

در مقاله جدید منتشر شده درLight: Science & Applications، دانشمندان موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST)  در Gaithersburg، MD  و در دانشگاه Carnegie Mellon در پیتسبورگ، اولین نمایش یک منبع فوتون درهم تنیده در مقیاس تراشه در SiC را گزارش کرده‌اند. این دستگاه توسط یک فرآیند غیرخطی مرتبه بالا معروف به ترکیب چهار موجی خود به خود (SFWM) با استفاده از یک تشدید کننده میکرورینگ نوری یکپارچه که بر روی یک پلت فرم 4H-SiC-on- عایق الگوبرداری شده است، اجرا می شود. این آزمایش به گونه‌ای طراحی شده است که جفت فوتون‌ها در طول موج مخابراتی بوده و برای انتقال در فیبرهای نوری (که برای ارتباطات کوانتومی و شبکه‌های کوانتومی مهم است) ایده‌آل هستند و به گونه‌ای ایجاد می‌شوند که در زمان و انرژی (معروف به درهم تنیدگی زمان-انرژی) در هم تنیده شوند. محققان از تولید جفت فوتون های درهم تنیده با کیفیت بالا و خلوص بالا خبر می دهند.

آینده اپتیک مجتمع مبتنی بر SiC مطمئنا امیدوارکننده است زیرا محققان بیان می‌کنند که «همه این احتمالات به آینده روشنی برای فوتونیک کوانتومی مبتنی بر SiC اشاره می‌کنند که امکان ادغام بسیاری از فرآیندهای فوتونی کوانتومی و الکتریکی در مقیاس تراشه برای کاربردهای مختلف را فراهم می‌کند."

More information: Anouar Rahmouni et al, Entangled photon pair generation in an integrated SiC platform, Light: Science & Applications (2024)