وبلاگ

نیوزویز – دانشمندان اطلاعات کوانتومی همیشه به دنبال ترکیب‌های برنده‌ای از مواد هستند، موادی که می‌توان آن‌ها را در سطح مولکولی دستکاری کرد تا به طور قابل اعتماد اطلاعات را ذخیره و انتقال دهد.

پس از اثبات اثبات اصل اخیر، محققان ترکیب جدیدی از ترکیبات را به فهرست مواد کوانتومی اضافه می کنند.

در یک مطالعه گزارش شده در ACS Photonicsمحققان دو ساختار نانومقیاس – یکی از الماس و دیگری از نیوبات لیتیوم – را روی یک تراشه ترکیب کردند. سپس نور را از الماس به لیتیوم نیوبات می فرستند و کسری از نوری را که با موفقیت عبور می کند اندازه گیری می کنند.

هرچه این کسر بزرگتر باشد، جفت شدن مواد کارآمدتر و جفت شدن به عنوان یک جزء در دستگاه های کوانتومی امیدوارکننده تر است.

نتیجه: 92 درصد نور باعث جهش از الماس به لیتیوم نیوبات شد.

“با کنار هم قرار دادن این دو پلت فرم مواد و هدایت نور از یکی به دیگری، ما نشان می دهیم که به جای کار با یک ماده، واقعاً می توانید بهترین های هر دو جهان را داشته باشید.” – هوپ لی، دانشگاه استنفورد

این تحقیق تا حدی توسط Q-NEXT، مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) به رهبری آزمایشگاه ملی آرگون DOE. امیر صفوی نائینی و جلنا ووکویچ از دانشگاه استنفورد این مطالعه را رهبری کردند.

هوپ لی، یکی از نویسندگان مقاله و دکترا گفت: «به دست آوردن 92 درصد کارایی از این دستگاه یک نتیجه هیجان انگیز بود. دانشجوی دانشگاه استنفورد و محققی که با دیوید آوشالوم، مدیر Q-NEXT در دوران لیسانس در دانشگاه شیکاگو کار می کرد. “این مزیت های پلت فرم را نشان داد.”

کمی در مورد کیوبیت

فناوری های کوانتومی استفاده از ویژگی های خاص ماده در مقیاس مولکولی برای پردازش اطلاعات. کوانتومی کامپیوترها، شبکه های و انتظار می رود حسگرها در زمینه هایی مانند پزشکی، ارتباطات و تدارکات تاثیر زیادی بر زندگی ما داشته باشند.

اطلاعات کوانتومی در بسته هایی به نام کیوبیت ارائه می شود که می تواند اشکال مختلفی داشته باشد. در پلتفرم جدید تیم تحقیقاتی، کیوبیت ها اطلاعات را به صورت ذرات نور منتقل می کنند.

کیوبیت های قابل اعتماد برای فناوری هایی مانند شبکه های ارتباطی کوانتومی حیاتی هستند. همانطور که در شبکه های سنتی، اطلاعات در شبکه های کوانتومی از یک گره به گره دیگر سفر می کند. کیوبیت های ثابت اطلاعات را در یک گره ذخیره می کنند. کیوبیت های پرنده اطلاعات را بین گره ها حمل می کنند.

تراشه جدید تیم تحقیقاتی اساس یک کیوبیت ثابت را تشکیل خواهد داد. هرچه کیوبیت ثابت قوی تر باشد، شبکه کوانتومی قابل اعتمادتر است و شبکه ها می توانند مسافت بیشتری را پوشش دهند. یک شبکه کوانتومی سراسر قاره در این نزدیکی است.

مزیت مادی

الماس مدت هاست که به عنوان خانه ای عالی برای کیوبیت ها معرفی شده است. برای یک چیز، ساختار مولکولی الماس را می توان به راحتی برای پذیرش کیوبیت های ثابت دستکاری کرد. از سوی دیگر، کیوبیت میزبان الماس می تواند اطلاعات را برای مدت نسبتا طولانی نگه دارد، که به معنای زمان بیشتری برای انجام محاسبات است. علاوه بر این، محاسبات انجام شده با استفاده از کیوبیت های میزبان الماس دقت بالایی را نشان می دهد.

شریک Diamond در تحقیقات این گروه، لیتیوم نیوبات، ستاره دیگری در پردازش اطلاعات کوانتومی است. خواص ویژه آن به دانشمندان انعطاف پذیری می دهد و به آنها اجازه می دهد فرکانس عبور نور از آن را تغییر دهند. به عنوان مثال، محققان می توانند یک میدان الکتریکی یا تنش مکانیکی به لیتیوم نیوبات اعمال کنند تا نحوه هدایت نور را تنظیم کنند. همچنین می توان جهت ساختار کریستالی آن را معکوس کرد. انجام این کار در فواصل زمانی معین روش دیگری برای شکل دادن به عبور نور از مواد است.

جیسون هرمان، یکی از نویسندگان مقاله و دکترا، می‌گوید: «شما می‌توانید از این ویژگی‌های لیتیوم نیوبات برای تبدیل و تغییر نوری که از الماس می‌آید استفاده کنید، و آن را به روش‌هایی که برای آزمایش‌های مختلف مفید است تعدیل کنید.» دانشجوی دانشگاه استنفورد به عنوان مثال، شما اساساً می توانید نور را به فرکانس مورد استفاده توسط زیرساخت های ارتباطی موجود تبدیل کنید. بنابراین این خواص لیتیوم نیوبات واقعا مفید است.

جفت شدن قدرتمند

به طور سنتی، نور از کیوبیت های میزبان الماس یا به یک کابل نوری یا به فضای آزاد هدایت می شود. در هر دو مورد، تنظیم آزمایشی دست و پا گیر است. کابل های فیبر نوری بلند، آویزان و فلاپی هستند. و انتقال کیوبیت ها در فضای آزاد نیاز به تجهیزات حجیم دارد.

تمام این تجهیزات زمانی ناپدید می شوند که نور کیوبیت های الماس به جای آن به سمت نیوبات لیتیوم هدایت شود. تقریباً هر جزء را می توان روی یک تراشه کوچک قرار داد.

لی گفت: «داشتن هر چه بیشتر دستگاه‌ها و قابلیت‌های شما در یک تراشه یک مزیت دارد. “این قوی تر است. و واقعاً به شما امکان می دهد تنظیمات خود را کوچک کنید.”

نه تنها این، بلکه از آنجا که این دو دستگاه توسط یک رشته نازک به هم متصل شده اند – 1/100 عرض موی انسان – نور کوانتومی به گذرگاه باریکی که به نیوبات لیتیوم منتهی می شود فشرده می شود و برهمکنش نور را افزایش می دهد. با مواد و سهولت دستکاری آن از خواص نور.

هرمان گفت: «وقتی همه ذرات نوری مختلف در چنین حجم کمی با هم تعامل دارند، کارایی بسیار بالاتری در فرآیند تبدیل به دست می‌آید. ما امیدواریم که بتوانیم این کار را در پلتفرم یکپارچه انجام دهیم، بازدهی بسیار بالاتری نسبت به راه اندازی فیبر یا فضای آزاد داشته باشد.”

یک مجمع چالش برانگیز

یکی از چالش‌های توسعه این پلت‌فرم، دستکاری الماس (فقط 300 نانومتر) برای هماهنگی با لیتیوم نیوبات بود.

لی گفت: «ما مجبور شدیم الماس را با سوزن‌های کوچک بکوبیم تا آن را به اطراف بچرخانیم تا زمانی که به نظر می‌رسد در جای مناسبی روی آن تخته قرار دارد. “تقریباً مثل این است که شما آن را با چاپستیک های کوچک می کوبید.”

اندازه گیری نور عبوری یکی دیگر از فرآیندهای دشوار بود.

هرمان می‌گوید: «ما باید واقعاً مطمئن شویم که همه مکان‌هایی را که نور در آن‌ها منتقل می‌شود یا از دست می‌رود را در نظر می‌گیریم تا بتوانیم بگوییم، این مقدار از الماس به لیتیوم نیوبات می‌رود.» “این اندازه گیری کالیبراسیون به عقب و جلوی زیادی نیاز داشت تا مطمئن شویم که آن را درست انجام می دهیم.”

این تیم آزمایش‌های بیشتری را برنامه‌ریزی می‌کند که از اطلاعات کوانتومی ارائه شده توسط الماس و لیتیوم نیوبات، هم به صورت جداگانه و هم با هم، بهره می‌برد. آخرین موفقیت آنها تنها یک نقطه عطف در چیزی است که آنها امیدوارند منوی متنوعی از دستگاه ها بر اساس هر دو ماده باشد.

لی گفت: «با کنار هم قرار دادن این دو پلتفرم مواد و هدایت نور از یکی به دیگری، نشان می‌دهیم که به جای کار با یک ماده، واقعاً می‌توانید بهترین هر دو دنیا را داشته باشید.

این کار توسط مرکز تحقیقات ملی اطلاعات کوانتومی وزارت علوم به عنوان بخشی از مرکز Q-NEXT پشتیبانی شد. همچنین توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده و بنیاد ملی علوم سوئیس حمایت شد.

درباره Q-NEXT

Q-NEXT مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی وزارت انرژی ایالات متحده است که توسط آزمایشگاه ملی آرگون هدایت می شود. Q-NEXT محققان در سطح جهانی را از آزمایشگاه‌های ملی، دانشگاه‌ها و شرکت‌های فناوری ایالات متحده برای پیشبرد علم و فناوری کنترل و انتشار اطلاعات کوانتومی گرد هم می‌آورد. همکاران و موسسات Q-NEXT دو کارخانه ریخته‌گری ملی برای مواد و دستگاه‌های کوانتومی ایجاد خواهند کرد، شبکه‌های حسگرها و سیستم‌های ارتباطی امن را توسعه می‌دهند، پلتفرم‌های شبیه‌سازی و آزمایش شبکه ایجاد می‌کنند و نسل بعدی نیروی کار آماده کوانتومی را آموزش می‌دهند تا از ادامه علمی و علمی ایالات متحده اطمینان حاصل کنند. رهبری اقتصادی در این زمینه به سرعت در حال پیشرفت است. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://q-next.org/.

آزمایشگاه ملی آرگون به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. اولین آزمایشگاه ملی کشور، Argonne، تحقیقات پایه و کاربردی پیشرو را در تقریباً هر رشته علمی انجام می دهد. محققان Argonne از نزدیک با محققین صدها شرکت، دانشگاه و سازمان های فدرال، ایالتی و شهرداری همکاری می کنند تا به آنها کمک کنند تا مشکلات خاص خود را حل کنند، رهبری علمی آمریکا را ارتقا دهند و کشور را برای آینده ای بهتر آماده کنند. با کارکنان بیش از 60 کشور، Argonne توسط مدیریت می شود UChicago Argonne, LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/scence.