Quantum Photonics Menjanjikan Era Baru Sirkuit Optik yang Kuat

Metode pertama di dunia untuk mengaktifkan sirkuit optik kuantum menggunakan foton – partikel cahaya – menandai masa depan baru untuk komunikasi yang aman dan komputasi kuantum.

Dunia modern didukung oleh sirkuit listrik pada “chip” – chip semikonduktor yang mendukung komputer, telepon seluler, internet, dan aplikasi lain. Pada tahun 2025, manusia diharapkan dapat membuat 175 zettabytes (175 triliun gigabytes) data baru.. Bagaimana kami dapat memastikan keamanan data sensitif pada volume setinggi itu? Dan bagaimana kita dapat mengatasi masalah seperti tantangan utama, dari privasi dan keamanan hingga perubahan iklim, dengan mengeksploitasi data ini, terutama mengingat terbatasnya kapasitas komputer saat ini?

Alternatif yang menjanjikan adalah teknologi komputasi dan komunikasi kuantum. Namun, agar ini terjadi, diperlukan pengembangan luas sirkuit optik kuantum baru yang kuat; sirkuit yang dapat dengan aman menangani sejumlah besar informasi yang kami hasilkan setiap hari. Circadori masuk USCDepartemen Teknik Kimia dan Ilmu Material Keluarga Mork telah melakukan terobosan untuk membantu mengaktifkan teknologi ini.

Sementara rangkaian listrik tradisional adalah jalur panjang di mana elektron mengalir dari fluks muatan listrik, rangkaian optik kuantum menggunakan sumber cahaya yang menghasilkan partikel cahaya individu, atau foton, sesuai permintaan, satu per satu, bertindak sebagai ‘dan informasi yang membawa bit. (bit kuantum atau qubit). Sumber cahaya ini adalah “titik-titik kuantum” dari semikonduktor berukuran nano – koleksi kecil yang terbuat dari puluhan ribu hingga satu juta atom yang dikemas dalam volume ukuran linier kurang dari seperseribu ketebalan rambut manusia biasa yang terkubur dalam matriks. semikonduktor.

Sejauh ini mereka telah terbukti sebagai generator foton tunggal paling serbaguna sesuai permintaan. Sirkuit optik mensyaratkan bahwa sumber foton tunggal ini disusun pada chip semikonduktor dalam pola yang teratur. Foton dengan panjang gelombang yang hampir identik dari sumbernya kemudian harus dilepaskan ke arah yang dipandu. Ini memungkinkan mereka untuk dimanipulasi untuk membentuk interaksi dengan foton dan partikel lain untuk mengirimkan dan memproses informasi.

Sejauh ini, terdapat penghalang yang signifikan untuk pengembangan sirkuit semacam itu. Misalnya, dalam teknik manufaktur saat ini, titik-titik kuantum memiliki ukuran dan bentuk yang berbeda dan dipasang pada chip di lokasi acak. Fakta bahwa titik-titik memiliki ukuran dan bentuk yang berbeda berarti foton yang dilepaskannya tidak memiliki panjang gelombang yang seragam. Ini dan kurangnya urutan posisi membuatnya tidak cocok untuk digunakan dalam pengembangan sirkuit optik.

Dalam karya yang baru-baru ini diterbitkan, para peneliti USC telah menunjukkan bahwa foton tunggal dapat dipancarkan secara seragam dari titik-titik kuantum yang diatur dalam skema yang tepat. Perlu dicatat bahwa metode penyelarasan titik-titik kuantum pertama kali dikembangkan di USC oleh pemimpin PI, Profesor Anupam Madhukar, dan timnya hampir tiga puluh tahun yang lalu, jauh sebelum aktivitas penelitian eksplosif, arus informasi kuantum dan minat pada chip tunggal. sumber -sumber. Dalam pekerjaan terbaru ini, tim USC telah menggunakan metode tersebut untuk membuat titik kuantum yang unik, dengan karakteristik emisi foton tunggal yang luar biasa. Telah diantisipasi bahwa kemampuan untuk secara akurat menyelaraskan titik-titik pemancar kuantum secara seragam akan memungkinkan produksi sirkuit optik, yang berpotensi mengarah pada kemajuan baru dalam teknologi komputasi dan komunikasi kuantum.

Karya, diterbitkan di Photonics APL, dipimpin oleh Jiefei Zhang, saat ini asisten profesor di Departemen Teknik Kimia dan Ilmu Material dari Keluarga Mork, dengan penulis koresponden Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris Profesor Teknik dan Profesor Teknik Kimia, Teknik Elektro, Ilmu Material, dan Fisika.

“Penemuan ini membuka jalan bagi langkah selanjutnya yang diperlukan untuk beralih dari demonstrasi laboratorium fisika foton unik ke fabrikasi skala chip sirkuit foton kuantum,” kata Zhang. “Ini memiliki aplikasi potensial dalam komunikasi kuantum (aman), pencitraan, penginderaan, dan simulasi serta komputasi kuantum.”

Madhukar mengatakan penting bahwa titik-titik kuantum diurutkan secara tepat sehingga foton yang dilepaskan oleh dua atau lebih titik dapat dimanipulasi untuk terhubung satu sama lain pada chip. Ini akan menjadi dasar dari unit pembangun untuk sirkuit optik kuantum.

“Jika sumber asal foton terletak secara acak, itu tidak mungkin terjadi.” Kata Madhukar.

“Teknologi saat ini yang memungkinkan kita untuk berkomunikasi secara online, misalnya menggunakan platform teknologi seperti Zoom, didasarkan pada chip elektronik yang terintegrasi dengan silikon. Jika transistor pada chip itu tidak ditempatkan di lokasi yang tepat, tidak akan ada listrik terintegrasi. sirkuit, ”kata Madhukar. “Ini persyaratan yang sama untuk sumber foton sebagai titik kuantum untuk membuat sirkuit optik kuantum.”

“Kemajuan ini adalah contoh penting tentang bagaimana menyelesaikan tantangan fundamental ilmu material, seperti cara membuat titik-titik kuantum dengan posisi dan komposisi yang tepat, dapat memiliki implikasi hilir yang besar untuk teknologi seperti komputasi kuantum,” kata Evan Runnerstrom, manajer program. , Kantor Penelitian Angkatan Darat, sebuah elemen dari Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Komando Pembangunan Angkatan Darat AS. “Ini menunjukkan bagaimana investasi ARO yang ditargetkan dalam penelitian dasar mendukung upaya modernisasi berkelanjutan Angkatan Darat di sektor-sektor seperti jaringan.”

Untuk membuat pengaturan yang tepat dari titik-titik kuantum untuk sirkuit, tim menggunakan metode yang disebut SESRE (epitaxy dimensi yang dikodekan substrat) yang dikembangkan di grup Madhukar pada awal 1990-an. Tim membuat array reguler dari tabel berukuran nanometer (Gbr. 1) (a)) dengan orientasi tepi, bentuk (dinding samping), dan kedalaman yang ditentukan pada substrat semikonduktor datar, terdiri dari gallium arsenide (GaAs). Titik kuantum kemudian dibuat di atas tabel dengan menambahkan atom yang sesuai menggunakan teknik berikut.

Sirkuit Optik Fotonik Kuantum

Gambar 1. (a) gambar Scanning electron microscope (SEM) dari matriks massa berukuran nanometer awal yang dibuat pada substrat semikonduktor datar; (b) Skema evolusi profil massa selama deposisi material dengan panah hitam yang menunjukkan arah migrasi atom yang mengarah pertama ke dimensi reduksi GaAs (pendekatan SESRE) dan kemudian pindah ke deposisi kuantum dot InAs (merah ) bahan pada bagian atas ukuran mata jaring yang diperkecil dan kembali ke GaAs untuk mengubur InA merah; Gambar SEM dari tabel yang memuat titik kuantum unik ditampilkan di bawah ini; (c) Menunjukkan matriks kuantum dari titik-titik terealisasi yang terkubur di bawah permukaan GaA yang terencana yang secara simbolis ditampilkan sebagai superposisi tembus pandang untuk memungkinkan visualisasi (GaAs tidak tembus cahaya). Kredit: USC

Pertama, atom galium (Ga) yang masuk berkumpul di atas massa skala nano (panah hitam pada Gambar 1. (b)) tertarik oleh gaya energi permukaan, di mana mereka menyimpan GaAs (kontur hitam di atas tabel, Gbr. 1) (b)). Kemudian, fluks yang masuk diubah menjadi atom indium (In), untuk disimpan dalam arsenida belakang India (InAs) (daerah merah pada Gambar 1 (b)), diikuti oleh atom Ga untuk membentuk GaAs dan dengan demikian menciptakan individu yang diinginkan. titik kuantum (digambarkan di atas pada Gambar 1 (b)) yang akhirnya melepaskan foton tunggal. Agar berguna untuk membuat sirkuit optik, ruang antar nanomand berbentuk limas harus diisi oleh material yang meratakan permukaan. Chip terakhir ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1 (c), di mana GaA buram digambarkan sebagai lapisan tembus cahaya tempat titik-titik kuantum berada.

“Pekerjaan ini juga menetapkan rekor dunia baru untuk titik-titik kuantum yang teratur dan dapat diskalakan dalam hal kemurnian simultan dari emisi foton tunggal yang lebih besar dari 99,5%, dan dalam hal keseragaman panjang gelombang foton yang dipancarkan, yang dapat seketat 1,8 nm , yang merupakan faktor 20 hingga 40 lebih baik daripada titik kuantum biasa, ”kata Zhang.

Zhang mengatakan bahwa dengan keseragaman ini, menjadi layak untuk menerapkan metode yang sudah mapan seperti pemanasan lokal atau medan listrik untuk menyempurnakan panjang gelombang foton dari titik-titik kuantum agar sama persis satu sama lain, yang diperlukan untuk menciptakan interkoneksi yang diperlukan antara kuantum yang berbeda. titik untuk sirkuit.

Ini berarti untuk pertama kalinya para peneliti dapat membuat chip foton kuantum yang dapat diskalakan menggunakan teknik transformasi semikonduktor yang mapan. Selain itu, upaya tim sekarang difokuskan untuk menetapkan seberapa identik foton yang dipancarkan oleh mereka dan / atau dari titik kuantum yang berbeda. Tingkat indistinguishability adalah pusat dari efek quantum interferensi dan interferensi, yang mendukung transformasi informasi quantum – komunikasi, sensasi, pencitraan atau komputasi.

Zhang menyimpulkan, “Kami sekarang memiliki pendekatan dan platform material untuk menyediakan sumber yang dapat diskalakan dan teratur yang menghasilkan foton tunggal yang berpotensi tidak dapat dibedakan dari aplikasi informasi kuantum. Pendekatan ini umum dan dapat digunakan untuk kombinasi lain dari bahan yang sesuai untuk membuat titik kuantum yang dipancarkan. berbagai panjang gelombang yang disukai untuk berbagai aplikasi, misalnya komunikasi optik berbasis serat atau rezim inframerah menengah, cocok untuk pemantauan lingkungan dan diagnostik medis, ”kata Zhang.

Gernot S. Pomrenke, Kantor Program AFOSR, Optoelektronik dan Photonics mengatakan bahwa susunan sumber foton sumber tunggal yang andal sesuai permintaan pada chip merupakan langkah maju yang besar.

“Karya pertumbuhan dan ilmu material yang mengesankan ini mencakup upaya berdedikasi selama tiga dekade sebelum kegiatan penelitian informasi kuantum menjadi arus utama,” kata Pomrenke. “Pendanaan awal AFOSR dan sumber daya dari lembaga Departemen Pertahanan lainnya sangat penting untuk mewujudkan pekerjaan dan visi yang menantang dari Madhukar, murid-muridnya, dan kolaboratornya. Ada kemungkinan besar bahwa pekerjaan tersebut akan merevolusi kemampuan pusat data., Diagnostik medis , pertahanan dan teknologi terkait. “

Referensi: “Matriks Terencana Reguler Spasial dari Titik Kuantum Spektral Seragam sebagai Sumber Foton Chip Unik untuk Sirkuit Optik Kuantum” oleh Jiefei Zhang, Qi Huang, Lucas Jordao, Swarnabha Chattaraj, Siyuan Lu dan Anupam Madhukar, 20 November 2020, Photonics APL.
DOI: 10.1063 / 5.0018422

Rekan penulis makalah ini termasuk Qi Huang dan Lucas Jordao dari USC Mork Family Department of Chemical Engineering and Material Science, Swarnabha Chattaraj dari Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering dan Siyuan Lu dari Center of Research Thomas Thomas J. Watson .

Riset ini didukung oleh Air Force Scientific Research Office (AFOSR) dan U.S. Army Research Office (ARO).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.