Mecanica cuantică, cea care descrie lumea din jurul nostru aflată la o scară nanometrică, a permis deja dezvoltarea multor tehnologii ce sunt omniprezente în viaţa noastră modernă, incluzând aici comunicaţiile de bandă largă prin fibră optică şi ecranele telefoanelor inteligente. Aceste dispozitive funcţionează prin utilizarea a miliarde şi miliarde de fotoni, care sunt cele mai mici entităţi indivizibile de lumină.
Dar multe aplicaţii cuantice importante (cum ar fi realizarea comunicaţiei cuantice securizate) pot fi utilizate numai atunci când se lucrează cu un singur foton. Comunitatea ştiinţifică din domeniul cuantic a trebuit să aştepte mai mult de un deceniu până când un cip optic compact să poată genera, cu precizie şi cu o rată foarte mare, câte un singur foton.
Nu o mulţime de fotoni, vă rog. Credit: derekbruff.
Cu ajutorul colaboratorilor internaţionali şi a celor locali, am anunţat în Nature Communications că s-a reuşit integrarea unor dispozitive care generează fotoni individuali în cadrul unui singur cip de siliciu, o realizare de mare importanţă pentru tehnologiile cuantice din viitor.
Fotonii ca qubiţi
În anul 1982, fizicianul american şi laureat al premiului Nobel, Richard Feynman, a propus ideea de a se construi un nou tip de computer bazat pe principiile mecanicii cuantice.
În timp ce într-un computer obişnuit informaţia este reprezentată sub forma unui bit ce are valoarea de 0 sau 1, echivalentul cuantic al acestuia este qubitul, o particulă cuantică care are două stări binare.
Datorită naturii sale cuantice, un qubit poate să se afle în starea 0 sau în starea 1 sau în superpoziţia cuantică a acestor stări, în acelaşi timp.
Calculele efectuate cu ajutorul qubiţilor se desfăşoară în conformitate cu un set diferit de reguli în comparaţie cu un calculator obişnuit şi această tehnică permite ca anumite probleme să poată fi rezolvate mult mai repede.
Un foton este un exemplu de particulă cuantică ce poate fi folosită ca un qubit, iar cercetătorii ar dori să fie capabili să genereze fotoni unul câte unul, deoarece doi sau mai mulţi fotoni, aflaţi într-un grup, nu acţionează ca un qubit.
Este uşor să producem mai mulţi fotoni, dar este cu mult mai greu să reuşim ca aceştia să apară unul câte unul, fotonii prin natura lor fiind particule „sociabile" şi cu o rată de generare cât mai ridicată, care este similară cu frecvenţa mare de lucru a unităţilor centrale de prelucrare a informaţiilor din calculatoarele actuale.
În ultimii ani s-au obţinut fotoni individuali prin intermediul unor echipamente adeseori voluminoase şi cu un randament scăzut. Am arătat că prin utilizarea mai multor dispozitive imperfecte, într-un mod combinat, pe un singur cip de siliciu noi putem produce o sursă compactă de fotoni individuali având o calitate mult mai mare şi care poate permite dezvoltarea unor aplicaţii noi ce pot utiliza această tehnologie.
La pescuit de fotoni
Cercetarea noastră s-a concentrat pe procesul fizic ce se află în spatele procedeului de obţinere a fotonilor. Există o legătură intrinsecă între rata de producere a fotonilor individuali utili şi cât de des sunt generaţi, în schimb, doi sau mai mulţi fotoni: aceste grupări de fotoni sunt nedorite.
Producerea de fotoni individuali, cu o rată ridicată, este adeseori însoţită de un număr mai mare al fotonilor suplimentari nedoriţi, aşa încât suntem nevoiţi să reducem rata de generare a fotonilor la o valoare mai favorabilă scopului urmărit de noi.
Gândiţi-vă la acest lucru în termeni de pescuit: în loc să generăm fotoni individuali, ne dorim să prindem peşte. O soluţie simplă ar fi ca un pescar, aflat pe o barcă, să arunce o plasă pentru peşti, dar prin acest procedeu se vor prinde atât peşti, cât şi o mulţime de resturi nedorite.
Acest procedeu este analog cu utilizarea unei surse convenţionale de fotoni, care generează mulţi fotoni, dar, de asemenea, şi o mulţime de fascicule nedorite de lumină.
În schimb, noi putem trimite doi oameni cu undiţe. Cu puţin noroc, ei ar putea prinde împreună acelaşi număr de peşti, în aceeaşi perioadă de timp, dar pentru că această metodă este mult mai selectivă, şansa de a colecta resturi este mult mai mică.
Un singur dispozitiv pentru generarea fotonilor individuali (un pescar) atunci când funcţionează cu o rată ridicată (utilizează o plasă mare pentru peşti) generează o mulţime de fotoni nedoriţi. Prin combinarea a două surse de fotoni individuali (doi pescari pe o barcă) pe un cip unic de siliciu (barca), cantitatea de „resturi" reprezentate de aglomerările de fotoni s-a redus semnificativ. În viitor vom combina mai multe surse fotonice pe un singur cip (vrem mai mulţi pescari!). Credit: SevenPixelz.
Acest lucru este analog cu ce am făcut noi: două surse de fotoni individuali (pescarii) au fost combinate într-un singur cip de siliciu (barca), pentru ca proporţia de „resturi" reprezentate de fasciculele de fotoni nedorite să se reducă semnificativ.
Mai mulţi pescari
În viitor noi vom extinde această idee şi vom combina mai multe dispozitive pe un singur cip optic de siliciu. Chiar dacă fiecare sursă individuală funcţionează la o rată de generare a fotonilor individuali mică, ele pot fi combinate pentru a oferi rate mult mai mari, noi având nevoie doar de mai mulţi pescari!
Acest lucru ne va permite să generăm un număr mai mare de fotoni individuali utili, care pot acţiona sub forma unor qubiţi optici, ceea ce reprezintă o condiţie fundamentală în cadrul calculatoarelor cuantice complexe.
Prin această lucrare de cercetare se poate îmbunătăţi tehnologia de producere a fotonilor individuali, inclusiv a comunicaţiilor securizate în care perfecţionarea metodei de generare a fotonilor individuali poate conduce la creşterea distanţei şi a ratei de transfer din cadrul unei legături cuantice securizate de comunicare.
Această cercetare face obiectul activităţii desfăşurate în cadrul Centre for Ultrahigh Bandwidth Devices for Optical Systems (CUDOS) din University of Sydney.
Alte posibile aplicaţii ale acestei tehnologii pot fi în cadrul metrologiei (ştiinţa măsurării), în simularea sistemelor biologice şi chimice şi, desigur, în calculul cuantic.
Traducere de Cristian-George Podariu după power-photons-illuminate-quantum-technology, cu acordul editorului.
