Avansarea fotonicii cuantice promite o nouă eră a circuitelor optice puternice

O metodă mondială pentru a permite circuitelor optice cuantice folosind fotoni – particule de lumină – anunță un nou viitor pentru comunicare sigură și calcul cuantic.

Lumea modernă este alimentată de circuite electrice într-un „cip” – cipul semiconductor care acceptă computere, telefoane mobile, internet și alte aplicații. Până în 2025, se așteaptă ca oamenii să creeze 175 de zetabytes (175 trilioane de gigaocteți) de date noi. Cum putem asigura securitatea datelor sensibile la un volum atât de mare? Și cum putem aborda provocări similare, de la confidențialitate și securitate la schimbările climatice, folosind aceste date, mai ales având în vedere capacitățile limitate ale computerelor actuale?

O alternativă promițătoare sunt tehnologiile emergente de comunicare și de calcul cuantic. Cu toate acestea, acest lucru se va întâmpla, va necesita dezvoltarea pe scară largă a unor noi circuite optice cuantice puternice; circuite care sunt capabile să proceseze în siguranță cantitățile masive de informații pe care le creăm în fiecare zi. Cercetătorii de la USCDepartamentul de Inginerie Chimică și Știința Materialelor a Familiei Mork a făcut unele progrese pentru a ajuta la această tehnologie.

În timp ce un circuit electric tradițional este o cale de-a lungul căreia electronii curg dintr-o sarcină electrică, un circuit optic cuantic utilizează surse de lumină care generează particule individuale de lumină sau fotoni, la cerere, unul câte unul, acționând ca informații care poartă biți (cuantice biți sau cuburi). Aceste surse de lumină sunt „puncte cuantice” semiconductoare de dimensiuni nano – colecții produse de la zeci de mii până la un milion de atomi ambalate într-un volum de dimensiune liniară mai mică de o miime din grosimea părului tipic uman îngropat într-o matrice a unui alt semiconductor adecvat.

S-au dovedit a fi cei mai versatili generatori de fotoni la cerere până acum. Circuitul optic necesită ca aceste surse de fotoni unici să fie dispuse pe un cip semiconductor într-un model regulat. Fotonii cu lungimi de undă aproape identice din surse trebuie eliberați într-o direcție direcțională. Acest lucru le permite să fie manipulate pentru a forma interacțiuni cu fotoni și alte particule pentru a transmite și procesa informații.

Până în prezent, a fost un obstacol semnificativ în calea dezvoltării unor astfel de circuite. De exemplu, în tehnicile de producție actuale, punctele cuantice au dimensiuni și forme diferite și sunt asamblate pe cip în locații aleatorii. Faptul că punctele au dimensiuni și forme diferite înseamnă că fotonii pe care îi emit nu au lungimi de undă uniforme. Acest lucru și lipsa ordonării poziționale le fac nepotrivite pentru utilizarea în dezvoltarea circuitelor optice.

În lucrările publicate recent, cercetătorii de la USC au arătat că fotonii singulari pot fi de fapt emiși într-o manieră uniformă prin puncte cuantice aranjate într-un model precis. Trebuie remarcat faptul că metoda de aproximare a punctelor cuantice a fost dezvoltată pentru prima dată la USC de către liderul PI, profesorul Anupam Madhukar și echipa sa în urmă cu aproape treizeci de ani, cu puțin timp înainte de activitatea actuală de cercetare explozivă în informațiile cuantice și interesul pentru single-on-chip. -surse foto. În această ultimă lucrare, echipa USC a folosit astfel de metode pentru a crea puncte cuantice unice, cu caracteristicile lor extraordinare de emisie de fotoni. Este de așteptat ca abilitatea de a alinia cu precizie punctele cuantice pe care le emit în mod uniform va permite producerea de circuite optice, conducând potențial la noi progrese în tehnologiile de calcul și comunicații cuantice.

Lucrări, publicate în Photonics APL, condus de Jiefei Zhang, în prezent profesor asistent de cercetare în cadrul Departamentului de inginerie chimică și știința materialelor pentru familia Mork, alături de co-autorul Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris profesor de inginerie și profesor de inginerie chimică, inginerie electrică și inginerie electrică.

„Progresul deschide calea pentru următorii pași necesari pentru a trece de la demonstrația de laborator a fizicii unui singur foton la fabricarea la scară cu cip a circuitelor cu fotoni cuantici”, a spus Zhang. „Are aplicații potențiale în comunicația cuantică (sigură), imagistica, simularea și calculul cuantic.”

Madhukar a spus că este esențial ca punctele cuantice să fie aranjate într-un mod precis, astfel încât fotonii emiși de două sau mai multe puncte să poată fi manipulate pentru a se conecta între ele pe cip. Aceasta va forma baza unității de construcție pentru circuitele optice cuantice.

„Dacă sursa de unde provin fotonii este localizată întâmplător, acest lucru nu se poate întâmpla”. Tha Madhukar.

„Tehnologia actuală care ne permite să comunicăm online, de exemplu folosind o platformă tehnologică precum Zoom, se bazează pe cipul electronic integrat din siliciu. “Dacă tranzistoarele de pe acel cip nu sunt plasate în locuri proiectate corect, nu ar exista un circuit electric integrat”, a spus Madhukar. „Este aceeași cerință ca sursele de fotoni, cum ar fi punctele cuantice, să creeze circuite optice cuantice.”

„Această descoperire este un exemplu important al modului în care rezolvarea provocărilor fundamentale ale științei materialelor, cum ar fi crearea punctelor cuantice cu poziție și compoziție precise, poate avea implicații majore în aval pentru tehnologie, cum ar fi calculul cuantic.”, A spus Evan Runnerstrom, manager de program, Office al Cercetării Armatei, un element al Laboratorului de comandă al cercetării și dezvoltării armatei SUA. “Arată modul în care investițiile vizate ale ARO în cercetarea de bază susțin eforturile de modernizare ale Armatei în domenii precum rețelele.”

Pentru a crea reprezentarea corectă a punctelor cuantice pentru circuite, echipa a folosit o metodă numită SESRE (epitaxie de reducere a dimensiunii codificată substrat) dezvoltată în grupul Madhukar la începutul anilor 1990. În lucrarea actuală, echipa a fabricat ochiuri de dimensiuni nanometrice cu corzi regulate. (Fig. 1 (a)) cu o orientare a muchiei definită, formă (pereți laterali) și adâncime pe un substrat semiconductor plat compus din arsenidă de galiu (GaAs). Punctele cuantice sunt apoi create deasupra mijlocului prin adăugarea de atomi corespunzători folosind următoarea tehnică.

Circuite optice ale fotonicii cuantice

Figura 1. (a) Imaginea microscopului electronic de scanare (SEM) a unui grup inițial de dimensiuni nanometrice creat pe un substrat semiconductor plat; (b) Schema de evoluție a profilului în timpul depunerii materialului cu săgeți negre care arată direcția migrării atomului conducând mai întâi la reducerea dimensiunii GaAs (abordare SESRE) și apoi la tranziția la depunerea materialului cu puncte cuantice roșu ) în dimensiuni reduse ca mai sus și din nou în GaAs pentru a îngropa InA roșu; O imagine SEM a mediei care deține un singur punct cuantic este prezentată mai jos; (c) Arată grupul realizat de puncte cuantice îngropate sub o suprafață planificată GaAs simbolic prezentată ca o suprapunere translucidă pentru a permite vizualizarea (GaAs este estompată). Credit: USC

În primul rând, atomii de intrare a galiului (Ga) sunt colectați în partea superioară a mediului nanoescal (săgețile negre din figura 1. (b)) atrase de forțele energetice de suprafață, unde depun GaAs (conturul negru în partea superioară a mediului, Fig. .1) .1 (b)) Apoi, fluxul de intrare trece în atomi de indiu (In), pentru a depune arsenidă de indiu (InAs) (regiunea roșie din Fig. 1 (b)), urmată de atomi de Ga pentru a forma GaAs și creând astfel cuantumul individual dorit punctele (imaginea superioară din Fig. 1 (b)) care se termină cu emiterea de fotoni unici. Pentru a fi util pentru crearea circuitelor optice, spațiul dintre nanomedia sub formă de piramidă trebuie umplut de materialul care aplatizează suprafața. Cipul final este prezentat schematic în Fig. 1 (c), în care GaA întunecat este descris ca un strat translucid sub care se află punctele cuantice.

„Această lucrare stabilește, de asemenea, un nou record mondial pentru punctele cuantice ordonate și scalate în ceea ce privește puritatea simultană a emisiei unui singur foton mai mare de 99,5% și în ceea ce privește uniformitatea lungimii de undă a fotonilor emiși, care poate fi la fel de îngustă ca 1,8 nm, care este un factor de 20 până la 40 mai bun decât punctele cuantice tipice “, a spus Zhang.

Zhang a spus că, cu această uniformitate, devine posibil să se aplice metode stabilite, cum ar fi încălzirea locală sau câmpurile electrice, pentru a regla lungimile de undă ale fotonilor punctelor cuantice pentru a se potrivi exact, ceea ce este necesar pentru a crea interconectări necesare între diferite puncte cuantice pentru circuite.

Aceasta înseamnă că, pentru prima dată, cercetătorii pot crea cipuri cuantice cu fotoni la scară largă utilizând tehnici de procesare bine stabilite ale semiconductorilor. Mai mult, eforturile echipei se concentrează acum pe determinarea cât de identici sunt fotonii emiși de aceleași și / sau puncte cuantice diferite. Gradul de indistinguibilitate este esențial pentru efectele cuantice ale interferenței și confuziei, care susțin prelucrarea informațiilor cuantice – comunicare, detectare, imagistică sau calcul.

Zhang a concluzionat: „Avem acum o abordare materială și o platformă pentru a furniza surse scalabile și sortate care generează fotoni potențial nedistingeți pentru aplicațiile cuantice de informații. Abordarea este generală și poate fi utilizată pentru alte combinații de materiale adecvate pentru a crea puncte cuantice care emit pe o gamă largă de lungimi de undă preferate pentru diferite aplicații, de exemplu, comunicații optice pe bază de fibre sau modul în infraroșu mediu roșu, adecvat pentru monitorizarea mediului și diagnostice medicale “, a spus Zhang.

Gernot S. Pomrenke, responsabil de program pentru AFOSR, Optoelectronică și Fotonică, a declarat că matricile de surse fiabile cu un singur foton solicitate reprezintă un pas major înainte.

„Această creștere impresionantă și munca științei materialelor se extinde pe trei decenii de eforturi dedicate înainte ca activitățile de cercetare în domeniul informațiilor cuantice să fie în curent”, a spus Pomrenke. „Finanțarea inițială a AFOSR și a surselor din alte agenții DoD au fost esențiale pentru realizarea muncii provocatoare și a viziunii de către Madhukar, studenții și asociații săi. “Există o mare probabilitate ca lucrarea să revoluționeze capacitățile centrelor de date, diagnosticului medical, protecției și tehnologiilor conexe.”

Referință: „Matrice spațiale-regulate planificate de puncte spectrale uniforme uniforme ca surse de fotoni unici pe cip pentru circuite optice cuantice” de Jiefei Zhang, Qi Huang, Lucas Jordao, Swarnabha Chattaraj, Siyuan Lu și Anupam nad Madhuk 2020, Photonics APL.
DOI: 10.1063 / 5.0018422

Co-autori ai lucrării includ Qi Huang și Lucas Jordao de la Departamentul de inginerie chimică și știința materialelor familiei USC Mork, Swarnabha Chattaraj de la Departamentul de inginerie electrică și informatică Ming Hsieh și Siyuan Lu de la IBM Center J. Watson.

Căutarea este susținută de Biroul de Cercetări Științifice al Forțelor Aeriene (AFOSR) și Biroul de Cercetare al Armatei SUA (ARO).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.