اپتیک و کوانتوم

با این حال، اتصال کیوبیت ها برای جامعه پژوهشی چالش برانگیز بوده است. برخی از روش ها با قرار دادن یک ویفر سیلیکونی کامل در یک اجاق با آنیل سریع در دمای بسیار بالا، کیوبیت ها را تشکیل می دهند. با این روش‌ها، کیوبیت‌ها به‌طور تصادفی از نقایص (همچنین به عنوان مراکز رنگ یا تابش‌کننده‌های کوانتومی شناخته می‌شوند) در شبکه کریستالی سیلیکون تشکیل می‌شوند. و بدون دانستن اینکه کیوبیت‌ها دقیقاً در کجای یک ماده قرار دارند، تشخیص یک کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت‌های متصل دشوار خواهد بود.

اما اکنون، اتصال کیوبیت ها ممکن است به زودی امکان پذیر باشد. یک تیم تحقیقاتی به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) می‌گوید که آنها اولین کسانی هستند که از لیزر فمتوثانیه برای ایجاد و "نابودی" کیوبیت‌ها در صورت تقاضا و با دقت، با دوپینگ سیلیکون با هیدروژن استفاده کردند. این پیشرفت می تواند کامپیوترهای کوانتومی را که از کیوبیت های نوری قابل برنامه ریزی یا "کیوبیت های اسپین فوتون" برای اتصال گره های کوانتومی در یک شبکه راه دور استفاده می کنند، فعال کند. همچنین می‌تواند اینترنت کوانتومی را توسعه دهد که نه تنها امن‌تر است، بلکه می‌تواند داده‌های بیشتری را نسبت به فناوری‌های اطلاعات فیبر نوری کنونی منتقل کند. کاوشالیا جوریا گفت: "برای ایجاد یک معماری یا شبکه کوانتومی مقیاس پذیر، به کیوبیت هایی نیاز داریم که بتوانند به طور قابل اعتماد بر اساس تقاضا، در مکان های مورد نظر شکل بگیرند، به طوری که ما بدانیم کیوبیت در کجا در یک ماده قرار دارد. و به همین دلیل رویکرد ما حیاتی است." ، یک محقق فوق دکتری در بخش فناوری شتاب دهنده و فیزیک کاربردی آزمایشگاه برکلی (ATAP). او اولین نویسنده مطالعه جدیدی است که این تکنیک را در مجله Nature Communications توصیف می کند. زیرا هنگامی که بدانیم یک کیوبیت خاص در کجا قرار دارد، می‌توانیم نحوه اتصال این کیوبیت را با سایر اجزای سیستم و ایجاد یک شبکه کوانتومی تعیین کنیم.

توماس شنکل، محقق اصلی، رئیس برنامه فناوری علوم فیوژن و پرتو یونی در بخش ATAP آزمایشگاه برکلی، گفت: "این می تواند یک مسیر بالقوه جدید برای صنعت ایجاد کند تا بر چالش های ساخت کیوبیت و کنترل کیفیت غلبه کند." روش جدید از یک محیط گازی برای ایجاد عیوب قابل برنامه ریزی به نام "مراکز رنگ" در سیلیکون استفاده می کند. این مراکز رنگی کاندیدای کیوبیت های مخابراتی خاص یا "کیوبیت های اسپین فوتون" هستند. این روش همچنین از یک لیزر فمتوثانیه فوق سریع برای بازپخت سیلیکون با دقت بالا در جایی که آن کیوبیت ها باید دقیقاً تشکیل شوند، استفاده می کند. یک لیزر فمتوثانیه پالس‌های بسیار کوتاهی از انرژی را در عرض یک چهار میلیاردم ثانیه به یک هدف متمرکز به اندازه یک ذره غبار ارسال می‌کند. کیوبیت‌های فوتون اسپین، فوتون‌هایی ساطع می‌کنند که می‌توانند اطلاعات رمزگذاری‌شده در اسپین الکترون را در فواصل طولانی حمل کنند. کیوبیت‌ها کوچک‌ترین اجزای یک سیستم اطلاعات کوانتومی هستند که داده‌ها را در سه حالت مختلف رمزگذاری می‌کنند: 1، 0، یا برهم‌نهی بین 1 و 0 است.

محققان دریافتند که پردازش سیلیکون با شدت لیزر فمتوثانیه کم در حضور هیدروژن به ایجاد مراکز رنگ Ci کمک کرد. شنکل توضیح داد که آزمایش‌های بیشتر نشان داد که افزایش شدت لیزر می‌تواند تحرک هیدروژن را افزایش دهد، که مراکز رنگی نامطلوب را بدون آسیب رساندن به شبکه سیلیکونی غیرفعال می‌کند. تجزیه و تحلیل نظری انجام شده توسط لیانگ تان، دانشمند کارکنان کارخانه ریخته‌گری مولکولی آزمایشگاه برکلی، نشان می‌دهد که روشنایی مرکز رنگ Ci با چندین مرتبه بزرگی در حضور هیدروژن افزایش می‌یابد و مشاهدات آنها از آزمایش‌های آزمایشگاهی را تأیید می‌کند.

این تیم قصد دارد از این تکنیک برای ادغام کیوبیت‌های نوری در دستگاه‌های کوانتومی مانند حفره‌های بازتابنده و موجبرها و کشف کاندیدهای جدید کیوبیت فوتون اسپین با خواص بهینه‌سازی شده برای کاربردهای انتخابی استفاده کند. کامرون گدس، مدیر بخش ATAP گفت: «توانایی تشکیل کیوبیت ها در مکان های قابل برنامه ریزی در ماده ای مانند سیلیکون که در مقیاس موجود است، گامی هیجان انگیز به سوی شبکه های کوانتومی و محاسبات عملی است.

More information: K. Jhuria et al, Programmable quantum emitter formation in silicon, Nature Communications (2024)