علمی، پژوهشی و فناوری

فوتونیک روی تراشه: آینده نوآوری کوانتومی

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری :آزمایشگاه‌های ملی ساندیا و دانشگاه ایالتی آریزونا با کوچک کردن سیستم‌های نوری در میکروسیستم‌های یکپارچه به اندازه تراشه، فناوری کوانتومی را تقویت می‌کنند.

هدف این مشارکت، استفاده از فوتونیک پیشرفته برای محاسبات کوانتومی و ارتباطات ایمن است که با ابتکار جدیدی که توسط کوانتوم کولبراتیو تامین شده است، برجسته شده است.

نوآوری های کوانتومی مشترک

آزمایشگاه‌های ملی ساندیا و دانشگاه ایالتی آریزونا ، دو مؤسسه تحقیقاتی پیشرو، برای پیشرفت فناوری کوانتومی با کوچک کردن سیستم‌های نوری بزرگ به ریزسیستم‌های یکپارچه فشرده با هم کار می‌کنند.

نیلز اوترستروم، فیزیکدانی در ساندیا که در فوتونیک یکپارچه متخصص است، تلاش‌ها را برای کوچک‌سازی این سیستم‌های نوری رهبری می‌کند. این پیشرفت نوید عملکرد و مقیاس پذیری افزایش یافته را با برنامه های کاربردی از محاسبات پیشرفته تا ارتباطات ایمن می دهد.

اوترستروم که دکترای خود را در فیزیک کاربردی از دانشگاه ییل گرفت و به سندیا به عنوان دریافت کننده بورسیه تحصیلی هری اس ترومن پیوست، گفت: "فوتونیک یکپارچه سیستم های نوری را در مقیاس ماکرو می گیرد و آنها را در مقیاس میکرو می سازد." کاری که ما در فوتونیک یکپارچه انجام می‌دهیم، توسعه دستگاه‌های جدید و کاوش در فیزیک دستگاه‌ها برای ارائه تمام قابلیت‌هایی است که برای انجام تحقیقات اساسی و ایجاد ریزسیستم‌های کوانتومی نسل بعدی نیاز داریم. قابلیت‌های ساخت در سطح جهانی و درجه بالایی از قابلیت سفارشی‌سازی که در Sandia در مجتمع مهندسی، علوم و برنامه‌های کاربردی میکروسیستم یا MESA داریم، به‌طور منحصربه‌فردی ما را برای تأثیرگذاری بر پیشرفته‌ترین علم و فناوری قرار می‌دهد.

تغییر شبکه کوانتومی

اوترستروم با مدیر ارشد شبکه‌های کوانتومی در دانشگاه ایالتی آریزونا جو لوکنز همکاری داشته است. لوکنز متخصص پیشرو در استفاده از فرکانس نور برای انتقال اطلاعات کوانتومی برای محاسبات کوانتومی و سیستم های شبکه است.

این تلاش اخیراً از طریق یک توافقنامه تحقیق و توسعه تعاونی جدید که توسط کوانتوم همکاری مالی تأمین می شود، رسمیت یافته است. کوانتوم همکاری موسسات دانشگاهی و تحقیقاتی - از جمله آزمایشگاه‌های ملی - را برای پیشبرد تحقیقات اطلاعات و فناوری کوانتومی و همچنین آموزش و توسعه نیروی کار گرد هم می‌آورد.

الهام بخش کوانتوم کوانتومی این است که آینده کوانتومی است. اگر می‌خواهیم موفق شویم، این کار را نمی‌توان توسط بازپرسان یا حتی نهادهای واحد انجام داد. لوکنز گفت که این امکان پذیر نخواهد بود. این همکاری یک شبکه عمدی از افراد همفکر است که علاقه مند به ایجاد فناوری اطلاعات کوانتومی هستند، و این راهی برای ما برای ارتباط و کار با یکدیگر است.

ایالت آریزونا بودجه کوانتوم کولاپراتیو را تامین می کند و دانشگاه ایالتی آریزونا این ابتکار را مدیریت می کند.

انتقال از سیستم های حجیم به تراشه های یکپارچه

قبل از توافق با ساندیا، لوکنز برای کار خود در پردازش اطلاعات کوانتومی با فرکانس بر روی سیستم های فیبر نوری تمرکز کرد. او توضیح داد که کیوبیت ها در انواع پلتفرم ها از جمله فوتونیک وجود دارند.

لوکنز گفت: "در رویکرد فرکانس، کیوبیت شما فوتونی است که می تواند همزمان دارای دو طول موج یا رنگ نور متفاوت باشد." «صفر مربوط به یک رنگ و یکی مربوط به رنگ دیگر است. این رمزگذاری برای ارتباطات کوانتومی سودمند است. در فیبر نوری به خوبی منتقل می شود.

این کار قبلاً با اجزای تجاری موج نور روی میزهای نوری انجام می شد.

ما از سیستم های حجیم بزرگ استفاده می کنیم. آنها تلفات زیادی فوتون دارند، بسیار گران هستند و فضای زیادی را اشغال می کنند. فکر می‌کنم تمام کارهایی که می‌توانم با دستگاه‌های رومیزی در رمزگذاری فرکانس‌بین انجام داده‌ام، انجام داده‌ام.

اینجاست که منابع Sandia برای فوتونیک یکپارچه وارد عمل می‌شوند.

لوکنز با اشاره به مجموعه MESA گفت: "ساندیا یکی از انعطاف پذیرترین ریخته گری ها را در جهان دارد، نه تنها در میکروالکترونیک بلکه در فوتونیک". سندیا می‌تواند مدارهای مجتمع فوتونیکی کوچکی بسازد که می‌توانند همان قابلیت‌های یک میز نوری بزرگ به اندازه متر مربع را بسازند.

مرکز فوتونیک امنیت ملی Sandia طیف گسترده‌ای از فناوری‌های مولفه و پلتفرم را با مجموعه‌ای از بیش از 50 پتنت صادر شده در فوتونیک یکپارچه ارائه می‌کند.

پیشرفت در فوتونیک کوانتومی

تقسیم‌کننده‌های پرتو فضایی، که فوتون‌ها را می‌گیرند و آنها را در دو جهت تقسیم می‌کنند، اجزای اساسی در فوتونیک کوانتومی هستند.

اوترستروم گفت: «در این الگوی رمزگذاری فرکانس، ما نیاز به ایجاد انواع خاصی از تقسیم‌کننده‌های پرتو داریم که در عوض یک رنگ نور را گرفته و آن را به دو رنگ تقسیم می‌کنند. آنچه که ما در Sandia با همکاری تیم پروفسور پیتر راکیچ در دانشگاه ییل توسعه داده‌ایم ، این دستگاه‌های تعدیل‌کننده فاز جدید بسیار کارآمد هستند.

این دستگاه ها بر اساس موجبرهای سیلیکونی معلق هستند که امواج صوتی نور و گیگاهرتز را منتقل می کنند که توسط مبدل های الکترومکانیکی نیترید آلومینیوم یکپارچه تولید می شوند.

نتیجه ساختارهای اپتومکانیکی بسیار انعطاف‌پذیری است که فوتون را به صورت آکوستو-اپتیکی به چندین فرکانس تقسیم می‌کند. اوترستروم گفت: این به شما امکان می دهد پردازش اطلاعات کوانتومی را در فضای ابعادی بسیار بالاتر انجام دهید. شما می توانید در مورد آن فکر کنید زیرا رنگ نور در واقع می تواند اطلاعات کوانتومی را حمل کند.

چشم اندازها و برنامه های کاربردی آینده

لوکنز گفت هدف او انتقال کار از آزمایش‌های اثبات اصل به استقرار در شبکه‌های کوانتومی است.

لوکنز گفت: «برای انجام این کار، ما به سیستم‌هایی با تلفات کمتر از آنچه امروز می‌توانیم با دستگاه‌های تجاری به دست آوریم، نیاز داریم و به سیستم‌هایی نیاز داریم که کمی ارزان‌تر باشند». اگر بتوانیم این قابلیت‌ها را روی تراشه درک کنیم، اکنون در مورد روشی بسیار عملی‌تر و معقول‌تر برای انجام شبکه‌های کوانتومی صحبت می‌کنیم.

Otterstrom Lukens را برای به دست آوردن قطعاتی مانند میکروسکوپ و پایه های نوری برای استفاده از مدارهای مجتمع فوتونیک ساخته شده توسط Sandia در یک بستر آزمایشی در آزمایشگاه دانشگاه راهنمایی کرده است.

نقطه عطفی در همکاری کوانتومی

همکاری نتیجه می دهد. برنامه تحقیقاتی هدایت شده آزمایشگاهی سندیا 17 میلیون دلار برای پیشبرد کار تیم در زمینه فوتونیک کوانتومی مبتنی بر فرکانس اعطا کرده است. این بودجه در قالب یک برنامه چالش بزرگ به نام کوبیت های یکپارچه فوتونیک تصحیح شده با خطا یا EPIQ ارائه می شود.

پل دیویدز، محقق اصلی این پروژه گفت: "بدون مشارکت بین Sandia و دانشگاه ایالتی آریزونا، ما احتمالا چالش بزرگ EPIQ را به شکل و شکل فعلی آن نخواهیم داشت." «دسترسی نیلز به جو لوکنز اولین تلاش ما را در زمینه ایده‌های پیرامون کیوبیت‌های فوتونیک رمزگذاری‌شده با فرکانس آغاز کرد. رهبری متفکرانه او در این زمینه و کار و تخصص قبلی جو لوکنز در چالش بزرگ EPIQ نقش اساسی دارد.

اوترستروم گفت که این بودجه اجرای و ادغام در مقیاس بزرگ فیزیک دستگاه را که در همکاری اولیه با دانشگاه ایالتی آریزونا برای ایجاد یک کیوبیت فوتونیک مفید که می‌تواند با خطا تصحیح شود را امکان‌پذیر می‌سازد.

حمایت از توسعه فناوری کوانتومی

ساندیا علاوه بر شرکت در کوانتوم همکاری، قابلیت های نمونه سازی میکروالکترونیک مجتمع MESA را به عنوان شریک اصلی مرکز نمونه سازی پیشرفته جنوب غربی ارائه می دهد. SWAP Hub که توسط دانشگاه ایالتی آریزونا نیز رهبری می شود، یکی از هشت مرکز مشترک میکروالکترونیک در سراسر کشور است. Microelectronics Commons توسط قانون تراشه و علم تصویب شده توسط کنگره برای شروع رقابت آمریكا در صنعت نیمه هادی و كاهش وابستگی به تامین كنندگان خارجی تامین می شود.