4 نوامبر 2020توسط باب مارکوت ، دانشگاه روچستر
این تصویر از گره ای در مقیاس نانو که توسط متخصص آزمایشگاه Nick Vamivakas ، استاد اپتیک کوانتوم و فیزیک کوانتوم ایجاد شده است ، نمای نزدیک یکی از ستون های آرایه را نشان می دهد که ارتفاع هر کدام فقط 120 نانومتر است. هر ستون به عنوان یک نشانگر موقعیت برای یک حالت کوانتومی که می تواند با فوتونها تعامل داشته باشد ، عمل می کند. تراز جدیدی از دیزلنید تنگستن (WSe2) بر روی ستون ها با یک لایه زیرین و بسیار واکنش پذیر از تری یدید کروم (CrI3) ریخته شده است. درصورتی که لایه های نازک اتمی و ناحیه 12 میکرونی انجام شوند ، CrI3 یک بار الکتریکی به WSe2 می دهد و در کنار هر یک از ستون ها یک “سوراخ” ایجاد می کند.
محققان دانشگاه روچستر و دانشگاه کورنل گام مهمی در جهت توسعه شبکه ارتباطی برداشته اند که با استفاده از فوتون ، اندازه گیری نور کمتر از جرم که عناصر اصلی سیستم های ارتباطی کوانتومی هستند ، در فواصل طولانی اطلاعات را رد و بدل می کند.
تیم تحقیقاتی با استفاده از نور لیزر برای انتشار و جذب فوتون ها ، گره ای در مقیاس نانو ساخته اند که از مواد مغناطیسی و نیمه رسانا ساخته شده و می تواند با گره های دیگر ارتباط برقرار کند.
توسعه چنین شبکه کوانتومی – طراحی شده برای بهره گیری از خصوصیات فیزیکی نور و ماده که توسط مکانیک کوانتوم مشخص می شود – نوید راه های سریعتر و کارآمدتری برای برقراری ارتباط ، محاسبه و تشخیص اشیا و مواد در مقایسه با شبکه هایی است که در حال حاضر برای محاسبه و ارتباطات
گره که در مجله Nature Communications توصیف شده است ، شامل مجموعه ای از ستونها با ارتفاع فقط 120 نانومتر است. ستون ها بخشی از سکویی هستند که شامل لایه های نازک اتمی از مواد نیمه هادی و مغناطیسی است.
آرایه به گونه ای مهندسی شده است که هر ستون به عنوان یک نشانگر موقعیت برای یک حالت کوانتومی عمل می کند که می تواند با فوتونها ارتباط برقرار کند و فوتونهای مرتبط می توانند به طور بالقوه با مکان های دیگر دستگاه تعامل داشته باشند – و همچنین با آرایه های مشابه در مکان های دیگر. این پتانسیل برای اتصال گره های کوانتومی به یک شبکه از راه دور از مفهوم درهم تنیدگی استفاده می کند ، پدیده ای از مکانیک کوانتوم که در سطح بسیار اولیه خود ، چگونگی اتصال خواص ذرات در سطح زیر اتمی را توصیف می کند.
نیک وامیواکاس ، استاد اپتیک کوانتوم و فیزیک کوانتوم در روچستر ، می گوید: “در این حالت مکان های مختلف می توانند اطلاعات را ذخیره کنند و با فوتونها ارتباط برقرار کنند ، این نوعی ثبت اطلاعات است.”
به سمت “کوچک سازی کامپیوتر کوانتومی”
این پروژه بر اساس کارهایی است که آزمایشگاه Vamivakas در سالهای اخیر با استفاده از دی ال دی تنگستن (WSe2) در ساختارهای به اصطلاح Van der Waals انجام داده است. در این کار از لایه هایی از مواد نازک اتمی روی هم برای ایجاد یا جذب فوتون های منفرد استفاده می شود.
دستگاه جدید از یک تراز جدید WSe2 استفاده می کند که با ستونهایی با یک لایه زیرین و بسیار واکنش پذیر از تری یدید کروم (CrI3) پوشیده شده است. در جایی که لایه های نازک اتمی و ناحیه 12 میکرونی لمس می شوند ، CrI3 یک بار الکتریکی به WSe2 می دهد و در کنار هر یک از ستون ها یک “سوراخ” ایجاد می کند.
در فیزیک کوانتوم ، یک سوراخ با نبود الکترون مشخص می شود. هر سوراخ دارای بار مثبت همچنین دارای یک خاصیت مغناطیسی باینری شمال / جنوب است که با آن در ارتباط است ، به طوری که هر یک نیز یک آهن ربا است
وقتی دستگاه در معرض نور لیزر قرار می گیرد ، واکنش های دیگری رخ می دهد و نانو مغناطیس ها را به آرایه های چرخشی نوری فعال تبدیل می کند که از فوتون ها ساطع می شوند و برهم کنش می کنند. در حالی که پردازش اطلاعات کلاسیک به بیت هایی تقسیم می شود که مقادیر آنها صفر یا یک باشد ، حالت های چرخشی می توانند همزمان صفر و یک را رمزگذاری کنند ، و این امر امکان پردازش اطلاعات را گسترش می دهد.
نویسنده ارشد Arunabh Mukherjee می گوید: “توانایی کنترل جهت چرخش سوراخ با استفاده از CrI3 فوق العاده نازک و 12 میکرونی بزرگ ، جایگزین نیاز به استفاده از میدان های مغناطیسی خارجی از سیم پیچ های مغناطیسی غول پیکر مشابه آنچه در سیستم های MRI استفاده می شود ، می شود.” “این کار در کوچک سازی یک کامپیوتر کوانتومی بر اساس چرخش های یک سوراخ کمک زیادی خواهد کرد.”
دو چالش عمده محققان را در ایجاد دستگاه روبرو کرده است.
یکی از چالشها ایجاد یک فضای بی اثر برای کار با CrI3 بسیار واکنش پذیر بود. این جایی بود که همکاری با دانشگاه کرنل شروع شد. وامیواكاس می گوید: “آنها مهارت زیادی در كروم تری یدید دارند و از آنجا كه ما برای اولین بار با آن كار می كردیم ، در مورد آن موضوع با آنها هماهنگ شدیم.” به عنوان مثال ، ساخت CrI3 برای جلوگیری از تخریب اکسیژن و رطوبت ، در جعبه های دستکش پر ازت انجام شده است.
چالش دیگر تعیین دقیق پیکربندی ستون ها بود تا اطمینان حاصل شود که سوراخ ها و دره های چرخشی مرتبط با هر ستون می توانند به درستی ثبت شوند تا در نهایت به گره های دیگر پیوند دهند.
و چالش مهم بعدی در این امر است: یافتن راهی برای ارسال فوتونها از طریق فیبر نوری به گره های دیگر ، ضمن حفظ خواص درهم تنیدگی آنها.
