Τα θεμέλια της τρέχουσας τεχνολογίας επικοινωνιών αποτελούνται από κύματα φωτός και ήχου. Ενώ τα ηχητικά κύματα νανοκλίμακας σε ημιαγωγούς επεξεργάζονται σήματα σε συχνότητες gigahertz για ασύρματη μετάδοση, οι ίνες γυαλιού με φως λέιζερ δημιουργούν τον Παγκόσμιο Ιστό.
Ένα από τα πιο πιεστικά ερωτήματα για το μέλλον είναι πώς αυτές οι τεχνολογίες μπορούν να επεκταθούν σε κβαντικά συστήματα για να δημιουργήσουν ασφαλή (δηλαδή, χωρίς πάτημα) κβαντική επικοινωνία δικτύων.
Τα κβάντα φωτός ή τα φωτόνια παίζουν πολύ κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών.
Μια ομάδα Γερμανών και Ισπανών επιστημόνων από τη Βαλένθια, το Μύνστερ, το Άουγκσμπουργκ, το Βερολίνο και το Μόναχο έχει ελέγξει επιτυχώς μεμονωμένα κβάντα φωτός σε εξαιρετικά υψηλό βαθμό ακρίβειας. Η μελέτη τους χρησιμοποιεί ένα ηχητικό κύμα για να αλλάξει άτομο φωτόνια σε ένα τσιπ μεταξύ δύο εξόδων σε συχνότητες gigahertz.
Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες έχουν επιδείξει μια νέα μέθοδο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ακουστικές κβαντικές τεχνολογίες ή πολύπλοκα ολοκληρωμένα φωτονικά δίκτυα.
Ο φυσικός Καθ. Hubert Krenner, ο οποίος ηγείται της μελέτης στο Münster και η Άουγκσμπουργκ, είπε, «Η ομάδα μας έχει επιτύχει τώρα να δημιουργήσει μεμονωμένα φωτόνια σε ένα τσιπ μεγέθους μικρογραφίας και στη συνέχεια να τα ελέγξει με πρωτοφανή ακρίβεια, χρονολογημένα με ακρίβεια μέσω ηχητικά κύματα. "
Ο Δρ Mauricio de Lima, ο οποίος ερευνά στο Πανεπιστήμιο της Βαλένθια και συντονίζει τις εργασίες που γίνονται εκεί, προσθέτει: «Η λειτουργική αρχή του τσιπ μας ήταν γνωστή σε σχέση με το συμβατικό φως λέιζερ, αλλά τώρα, χρησιμοποιώντας κβάντα φωτός, καταφέραμε να κάνουμε την πολυπόθητη σημαντική ανακάλυψη κβαντικές τεχνολογίες. "
Στη μελέτη, οι επιστήμονες κατασκεύασαν ένα τσιπ με μικροσκοπικές «μονοπάτια αγωγιμότητας» για κβάντα φωτός - τους λεγόμενους κυματοδηγούς. Αυτά είναι περίπου 30 φορές πιο λεπτά από τα ανθρώπινα μαλλιά. Το τσιπ περιέχει επίσης κβαντικές πηγές φωτός, τα λεγόμενα κβαντικές κουκίδες.
Ο Δρ Matthias Weiß από το Πανεπιστήμιο του Münster πραγματοποίησε τα οπτικά πειράματα και πρόσθεσε: «Αυτές οι κβαντικές κουκκίδες, μεγέθους μόλις λίγων νανόμετρων, είναι νησίδες μέσα στους κυματοδηγούς που εκπέμπουν φως ως μεμονωμένα φωτόνια. Οι κβαντικές κουκκίδες περιλαμβάνονται στο τσιπ μας, επομένως δεν χρειάζεται να χρησιμοποιούμε περίπλοκες μεθόδους για να δημιουργήσουμε μεμονωμένα φωτόνια μέσω άλλης πηγής.»
Ο Δρ Dominik Bühler, ο οποίος σχεδίασε τα κβαντικά τσιπ ως μέρος του διδακτορικού του. στο Πανεπιστήμιο της Βαλένθια, επισημαίνει πόσο γρήγορη είναι η τεχνολογία: «Με τη χρήση ηχητικών κυμάτων νανοκλίμακας, μπορούμε να αλλάξουμε απευθείας τα φωτόνια στο τσιπ μεταξύ δύο εξόδων με πρωτοφανή ταχύτητα κατά τη διάδοσή τους στους κυματοδηγούς».
Ο Δρ Mauricio de Lima, με το βλέμμα στο μέλλον, είπε: «Εργαζόμαστε ήδη σταθερά για να βελτιώσουμε το τσιπ μας, ώστε να μπορούμε να προγραμματίσουμε την κβαντική κατάσταση των φωτονίων όπως επιθυμούμε ή ακόμα και να ελέγξουμε πολλά φωτόνια με διαφορετικά χρώματα μεταξύ τεσσάρων ή περισσότερων εξόδων».
Καθ. Hubert Krenner προσθέτει, «Εχουμε ωφεληθεί εδώ από τη μοναδική δύναμη που έχουν τα ηχητικά μας κύματα νανοκλίμακα: καθώς αυτά τα κύματα διαδίδονται ουσιαστικά χωρίς απώλειες στην επιφάνεια του τσιπ, μπορούμε να ελέγξουμε με ακρίβεια σχεδόν όσους κυματοδηγούς θέλουμε με ένα μόνο κύμα – και σε εξαιρετικά υψηλό βαθμό ακρίβειας.»
Αναφορές περιοδικών:
- Dominik D. Bühler, Matthias Weiß, Antonio Crespo-Poveda, Emeline DS Nysten, Jonathan J. Finley, Kai Müller, Paulo V. Santos, Mauricio M. de Lima Jr., HJ Krenner (2022): Παραγωγή σε τσιπ και δυναμική πιεζο-οπτομηχανική περιστροφή μεμονωμένων φωτονίων. Nature Communications 13, DOI: 10.1038/s41467-022-34372-9
