رویکردی جدید برای ایجاد زیرساخت های اینترنت کوانتومی
به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبربان، به نقل از «Spectrum IEEE»؛ پژوهشگران آمریکایی مدتی قبل اعلام کردند که در حال توسعه ی اینترنتی کوانتومی با خطوط ارتباطی به طول بیش از 800 کیلومتر هستند. همچنین اعلام شد این شبکه به طور کامل غیر قابل هک است. به علاوه محققان هلندی نیز قصد دارند تا سال 2020، 4 شهر از این کشور را به فناوری یاد شده مجهز کنند.
دانشمندان موسسه فناوری استیونز (Stevens Institute of Technology) به تازگی شرح دادند موفق به توسعه ی امیتر کوانتومی (quantum emitter) روی تراشه ای شده اند که قادر است در هر لحظه، یک فوتون را با رزولوشن و سطحی از کارآمدی که در گذشته قابل دستیابی نبود، انتقال دهد. این افراد معتقدند دستاورد آنها کلیدی برای توسعه ی رمزنگاری غیرقابل هک، رایانه ها و اینترنت کوانتومی است.
کوانتوم دات (quantum dots) در یک دهه ی گذشته، یکی از رویکردهای اصلی ایجاد امیترهای کوانتومی در تراشه به شمار می رفت. در این نوع از امیترها، در هر لحظه یک فوتون منتشر می شود، در حالی که در نور کلاسیک، تریلیون ها فوتون در همه جا پراکنده بودند.
استفان استراف (Stefan Strauf)، استاد موسسه استیونز و رهبر پژوهش بالا توضیح داد:
کنترل فضایی1 (spatial control) برای نقاط کوانتومی وجود ندارد؛ زیرا آنها در مکان های کاملا تصادفی رشد می کنند. این مسئله دقیقا مشابه پرتاب مولکول ها از سطح یک ویفر و فراهم کردن امکانی برای خشک شدن آنها است. نقاط کوانتومی نیز تفاوت چندانی با این مسئله ندارند.
در نقاط کوانتومی نمی توان اتصال فضایی خوبی را بین فوتون منتشر شده و حفره های اطراف آن –که به عنوان آنتنی برای هدایت ذرات نور استفاده می شود- به وجود آورد. در حالی که استراف توضیح می دهد همواره امکان یافتن یک نقطه کوانتومی بسیار خوب وجود دارد؛ اما نمی توان یک فاصله و هندسه ی خاص را برای آن ترسیم کرد.
وی ادامه داد: به علت محدودیت های نقاط کوانتومی آنها تصمیم گرفتند تا از رویکرد متفاوتی برای ایجاد انتشار دهنده ی کوانتومی استفاده کنند. این رویکرد استفاده از تنگستن دیسلناید 2 بعدی انعطاف پذیر (tungsten diselenide) روی آرایه ای از نانوکیوب طلا است.
در حالی که تنگستن دیسلناید یک صفحه ی 2 بعدی را برای شروع ایجاد نمونه ای انعطاف پذیر ارائه می دهد، به تنهایی قادر به انتشار نور کوانتومی نیست. در مقابل قادر است، ذرات نور را به مانند یک لامپ به تعداد زیاد در هر نقطه ای منتشر کند. برای غلبه بر این مسئله از ذرات نانوکیوب طلا استفاده می شود.
سطح بالا و پایین نانوکیوب های طلا به مانند آینه عمل کرده و نور را درون خود نگه می دارند. اگر تنگستن روی نانونوکیوب ها قرار گیرد، نقاطی که مونولایه ها (monolayer) روی لبه های آن قرار دارند، نوعی قیف را شکل می دهند. این بخش حامل های مواد را در مکانی بسیار کوچک و خاص گیر می اندازد. در نتیجه انتشار دهنده به یک منتقل کننده ی نور کوانتومی تبدیل می گردد.
پژوهشگر مذکور اظهار کرد:
اساسا، نانوکیوب های طلا به عنوان نانوآنتن های بسیار کوچکی عمل می کنند که جریان فوتون را جذب کرده، در یک جهت خاص منتشر می کند. این ویژگی نه تنها به شما امکان انتقال فوتون را در فیبر و شبکه ی فیبری می دهد؛ بلکه قابلیت افزایش طول قابل پیمایش آن را نیز دارد.
استفان استراف اشاره کرد که می توان با استفاده از کوانتوم دات به عنوان امیترهای کوانتومی، هر تعدادی از آنها را روی تراشه قرار داد؛ اما تعداد امیترها مهم نیست؛ بلکه قابلیت کنترل موقعیت فضایی آنها و کارآمدی انتشار اهمیت دارد.
استراف توضیح داد:
شما نیازی ندارید تا مشابه گذشته، آرایه ای بزرگ از فناوری امیتر شرح داده شده را ایجاد کنید. سپس 10 هزار نمونه از آن را روی یک ویفر قرار داده، نقاط کوانتومی، نانوسیم یا هر چیزی دیگر را منتشر سازید و از میان صدها نمونه ی آن به دنبال یک یا اتصال احتمالا مناسب بگردید؛ زیرا در رویکرد یا شده نرخ موفقیت این اقدام صد درصد است.»
در حقیقت پژوهشگران 60 منبع فوتون جداگانه را نشان دادند که هر یک از آنها در مسیری مشخص حرکت می کردند. اگر با استفاده از رویکردهای گذشته 60 امیتر کوانتومی ایجاد شود، تنها یک یا 2 عدد از فوتون ها به یک دیگر متصل می گردند.
یکی از مشکلات اصلی هر نوع دستگاه کوانتومی، نیاز به سازگاری آن است. انسجام در سیستم های کوانتومی به ثبات حالت های ابررسانایی اشاره دارد. برای مثال می توان به چرخش های الکترون در 2 جهن مختلف در یک زمان اشاره کرد. دستیابی به این انسجام و پایداری به خنک کننده های بسیار قدرتمند نیاز دارد؛ زیرا انتشار نور در دمای بالا مختلف می شود. این مسئله بیان می کند بدون توجه به نوع ماده ی به کار گرفته شده در منابع نوری کوانتومی کارآمد، سامانه خنک سازی مناسبی مورد نیاز است. برای مثال کوانتوم دات برای انتشار نور باید خنک نگه داشته شود؛ اما تعدادی از دیگر سیستم ها که با نام مراکز رنگ (Color Centers) شناخته می شوند؛ نیازی به این مسئله ندارند و می توانند توسط کریستال های الماس یا نیترید بور میزبانی شوند.
در حالی که مراکز رنک به خنک سازی نیاز ندارند، کنترل فضایی مناسبی روی آنها وجود ندارد. در مقابل دستاورد شرح داده شده قابلیت کنترل فضا را داشته، اما نیاز به خنک سازی دارد.
استاد موسسه استیونز گفت:
ما در حال کار روی ایجاد راه کاری هستیم که نه تنها امکان عملکرد امیترهای کوانتومی را در دماهای بسیاری پایین فراهم می کند؛ قابلیت فعالیت در دماهای بالا را نیز به آنها می دهد.
به علاوه پژوهشگران شرح دادند هدف آنها ایجاد یک دستگاه است که با نیوری الکتریکی عمل می کند نه با نور. در نتیجه امکان به کارگیری آن در ابزارهای فعلی نیز فراهم شده، نیازی به لیزر پیدا نمی شود.
- کنترل فضایی به احتمال دریافت مختصات دقیق یک مکان توسط موقعیت یاب جغرافیایی گفته می شود.
