הבסיס של טכנולוגיית התקשורת הנוכחית מורכב מגלי אור וקול. בעוד גלי קול ננומטריים על מוליכים למחצה מעבדים אותות בתדרי גיגה הרץ לשידור אלחוטי, סיבי זכוכית עם אור לייזר יוצרים את ה-World Wide Web.
אחת השאלות הדחופות ביותר לעתיד היא כיצד ניתן להרחיב את הטכנולוגיות הללו למערכות קוונטיות כדי לבנות מאובטחות (כלומר, ללא הברז) תקשורת קוונטית רשתות.
קוונטות אור או פוטונים ממלאים תפקיד מרכזי מאוד בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות.
צוות של מדענים גרמנים וספרדים מוולנסיה, מינסטר, אוגסבורג, ברלין ומינכן שלט בהצלחה בקוואנטות אור בודדות ברמת דיוק גבוהה במיוחד. המחקר שלהם משתמש בגל קול כדי להחליף פרט פוטונים על שבב בין שתי יציאות בתדרי גיגה הרץ.
זו הפעם הראשונה שמדענים מדגימים שיטה חדשה שניתן להשתמש בה עבור טכנולוגיות קוונטיות אקוסטיות או רשתות פוטוניות משולבות מורכבות.
הפיזיקאי פרופ' הוברט קרנר, העומד בראש המחקר ב מינסטר ואוגסבורג, אמר, "הצוות שלנו הצליח כעת ליצור פוטונים בודדים על שבב בגודל של תמונה ממוזערת ולאחר מכן לשלוט בהם בדיוק חסר תקדים, בשעון מדויק באמצעות גלי קול".
ד"ר מאוריסיו דה לימה, שחוקר באוניברסיטת ולנסיה ומתאם את העבודה הנעשית שם, מוסיף, "העיקרון הפונקציונלי של השבב שלנו היה ידוע לנו בכל הנוגע לאור לייזר קונבנציונלי, אבל כעת, באמצעות קוונטות האור, הצלחנו לעשות את פריצת הדרך המיוחלת לקראת טכנולוגיות קוונטיות".
במחקר, מדענים ייצרו שבב עם 'נתיבי הולכה' זעירים עבור קוונטות אור - מה שנקרא מוליכי גל. אלה דקים בערך פי 30 משיער אדם. השבב מכיל גם מקורות אור קוונטיים, מה שנקרא נקודות קוונטיות.
ד"ר מתיאס וייס מאוניברסיטת מינסטר ביצע את הניסויים האופטיים והוסיף: "נקודות קוונטיות אלה, בגודל של ננומטרים בודדים, הן איים בתוך מובילי הגלים הפולטים אוֹר כפוטונים בודדים. הנקודות הקוונטיות כלולות בשבב שלנו, כך שאנחנו לא צריכים להשתמש בשיטות מסובכות כדי ליצור פוטונים בודדים באמצעות מקור אחר".
ד"ר דומיניק בוהלר, שעיצב את השבבים הקוונטיים כחלק מהדוקטורט שלו. באוניברסיטת ולנסיה, מציין כמה מהירה הטכנולוגיה: "על ידי שימוש בגלי קול ננומטריים, אנו יכולים להעביר ישירות את הפוטונים בשבב הלוך ושוב בין שני יציאות במהירות חסרת תקדים במהלך התפשטותם במוליכי הגלים."
ד"ר מאוריסיו דה לימה, במבט לעתיד, אמר, "אנחנו כבר עובדים במרץ כדי לשפר את השבב שלנו כך שנוכל לתכנת את המצב הקוונטי של הפוטונים כרצוננו או אפילו לשלוט במספר פוטונים בצבעים שונים בין ארבעה פלטים או יותר."
פרופ' הוברט קרנר מוסיף, "אנו נהנים כאן מעוצמה ייחודית שיש לגלי הקול שלנו בקנה מידה ננו: מכיוון שהגלים הללו מתפשטים כמעט ללא אובדן על פני השבב, אנו יכולים לשלוט בצורה מסודרת כמעט בכמה מוליכי גל שאנו רוצים עם גל בודד אחד בלבד - ועד לרמה קיצונית. רמה גבוהה של דיוק."
הפניות לכתב עת:
- 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): ייצור על-שבב ודינמי סיבוב פיזו-אופטומכני של פוטונים בודדים. Nature Communications 13, DOI: 10.1038/s41467-022-34372-9
