انابيب نانوية تفتح مسارات جديدة نحو تقنيات المعلومات الكمومية

في نظام الاتصالات الضوئية ترسل بيانات غاية في الدقة والحساسية مثل ارقام بطاقات الائتمان وبيانات الرقم القومي وغيرها من المعلومات في صورة نبضات من اشعة الليزر. على اي حال البيانات التي ترسل على هذا النحو يمكن ان تتعرض للسرقة من خلال فصل بضعة فوتونات من نبضة الليزر. هذا النوع من التصنت او السرقة يمكن منعها باستخدام نظام تشفير رقمي على مستويات مكممة على سبيل المثال مستويات مستقطبة polarization state للفوتون المفرد. ان القدرة على توليد فوتونات مفردة هو مطلب اساسي لهذه الطريقة من الاتصالات.

كشف فريق بحثي في معهد لوسالموس Los Alamos عن مسار جديد نحو توليد فوتون احادي عن طريق ادخال انابيب كربون نانوية احادية الجدران في مصفوفة من ثاني اكسيد السليكون (SiO2) ادت هذه التركيبة إلى ايجاد مستوى اكسجين انفرادي قادرا على اطلاق فوتون احادي عند درجة حرارة الغرفة يتذبذب بحرية.  نشرت نتائج هذا البحث في مجلة Nature Nanotechnology.

nanotubesope

الفوتونات المنبعثة من انبوبة الليزر تتوزع بشكل عشوائي في الزمن. لهذا السبب يحدث انبعاث لفوتونين او اكثر في نفس اللحظة. ان الحصول على فوتون احادي يتطلب عزل ميكانيكي كمومي لنظام مكون من مستويين يمكنهما اطلاق فوتون احادي في كل دورة انبعاث واسترخاء. تتطلب تقنية الاتصالات ان يمتلك الفوتون الاحادي هذا طول موجي يتراوح بين 1300 إلى 1500 نانومتر عند درجة حرارة الغرفة ومتوافق مع تقنية تصنيع السليكون ليمكن عملية الاستحثاث الكهربي والتكامل مع مكونات شبكة الاتصالات الفوتونية والالكترونية. كشفت الدراسات الاولية ان انابيب الكربون النانوية تواجه تحديات تقنية لتدخل في مجال الاتصالات الكمومية ومن هذه التحديات (١) المواد التي تطلق فوتون احادي يحدث فقط عند درجات حرارة منخفضة جدا، (٢) عملية الانبعاث الفوتوني منها غير كافي.

بينت الابحاث الجديدة ان ادخال انابيب كربون نانوية في مفصفوفة من ثاني اكسيد السليكون (SiO2) قد تساهم بشكل فعال في ايجاد مستوى اكسجين مفرد قادر على تحرير فوتون احادي عند درجة حرارة الغرفة ويمتلك طول موجي في المدى من 1100 إلى  1300 نانومتر.

انابيب الكربون المطعمة بالاكسجين يمكن ان تغلف داخل طبقة من SiO2 وترسب على شريحة سليكون. هذه التقنية تفتح المجال امام تصنيع الكترونيات ميكروية لتطوير انظمة كهربية تعمل بمصادر فوتون احادي وتتكامل مع اجهزة فوتونية كمومية. ابعد من تطبيق تقنيات الاتصالات الكمومية فان مصادر الفوتون الاحادي المعتمدة على انابيب الكربون النانوية قد تتمكن من فتح المجال لتطوير تقنيات نقل معلومات كمومية مثل قياسات امتصاص فائقة الحساسية وتصوير حيود فرعي وحسابات كمومية خطية. هذه المادة الجديدة لها تطبيقات في الكثير من المجالات الفوتونية والبلازمونية والالكترونيات الضوئية وعلوم المعلومات الكمومية.

باستخدام كواشف فوتونية متقدمة تمكن فريق البحث من قياس التوزيع الزمني لانبعاث فوتونين والتحقق من انبعاث فوتون احادي. علاوة على ان الفريق البحثي تمكن من دراسة تأثيرات درجة الحرارة على كفاءة التلألؤ الضوئي والتذبذبات وديناميكة الاضمحلال لمستويات التطعيم في انابيب الكربون النانوية احادية الجدران. كما تمكن الباحثون من تحديد افضل شروط مناسبة لمراقبة انبعاث فوتون احادي وفي مدى الاطوال الموجية المطلوبة.

مترجم عن: Nanotubes open new path toward quantum information technologies

تعليقات

تعليقات