به گزارش ساوت چاینا مورنینگ پست، آشکارسازهای پیشرفته تک‌فوتونی، که از اجزای اساسی فناوری‌های کوانتومی مبتنی بر فوتون به شمار می‌روند، پیش از این حداکثر از ۳۲ کانال آشکارسازی برای دریافت سیگنال‌های فوتونی پشتیبانی می‌کردند.
اکنون، یک گروه پژوهشی مستقر در شانگهای با توسعه طرحی جدید برای اتصال اجزای سامانه، این محدودیت را برطرف کرده است. فناوری جدید از بیش از ۱۰۰ کانال آشکارسازی پشتیبانی می‌کند و در عین حال، دقت و پایداری عملکرد را حفظ می‌کند.
نویسندگان این پژوهش در مقاله خود نوشتند: این دستاورد زیرساختی مستحکم و مقیاس‌پذیر ایجاد می‌کند و راه را برای کاربردهای گسترده فناوری‌های کوانتومی فوتونیک هموار می‌سازد.
این دستاورد توسط پژوهشگران مؤسسه میکروسیستم‌ها و فناوری اطلاعات شانگهای (SIMIT)، وابسته به آکادمی علوم چین، حاصل شده و نتایج آن در اواخر سپتامبر در نشریه علمی داوری‌شده Laser & Photonics Reviews منتشر شده است.
فناوری‌های کوانتومی فوتونیک به‌سوی کاربردهای عملی حرکت می‌کنند
پیشرفت در فناوری‌های کوانتومی مبتنی بر فوتون، روند انتقال این فناوری‌ها از نمایش‌های آزمایشگاهی به کاربردهای عملی در حوزه‌هایی مانند رایانش کوانتومی، ارتباطات و اندازه‌شناسی را سرعت بخشیده است.
گسترش این سامانه‌ها مستلزم برخورداری از قابلیت آشکارسازی تک‌فوتونی در مقیاس بزرگ و به‌صورت موازی است؛ نیازی که برطرف کردن آن اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است.
بر اساس مقاله پژوهشی، آشکارسازهای تک‌فوتونی مبتنی بر نانوسیم‌های ابررسانا از پیشرفته‌ترین فناوری‌های موجود در این حوزه به شمار می‌روند. این تجهیزات الکترونیکی ـ نوری پیشرفته، با بهره‌گیری از حساسیت فوق‌العاده مواد ابررسانا، امکان شناسایی فوتون‌های منفرد را فراهم می‌کنند و بازده آشکارسازی آن‌ها می‌تواند به نزدیک ۱۰۰ درصد برسد.
این آشکارسازها به دلیل مزایایی مانند بازده بالای تشخیص، سرعت پاسخ‌گویی زیاد و قدرت تفکیک زمانی بالا، به‌طور گسترده به‌عنوان اجزای اصلی فناوری‌های کوانتومی فوتونیک، سامانه‌های تشخیص و فاصله‌یابی مبتنی بر نور (لیدار) و تصویربرداری تک‌فوتونی استفاده می‌شوند.
با این حال، افزایش مقیاس این سامانه‌ها مدت‌ها یکی از چالش‌های فنی مهم بوده است.
چرا افزایش تعداد کانال‌های آشکارسازی دشوار است؟
دما یکی از موانع اصلی در این زمینه است. این آشکارسازها به خنک‌سازی یک لایه بسیار نازک از نانوسیم ابررسانا تا دماهای برودتی، نزدیک به صفر مطلق، نیاز دارند. سپس برای انتقال سیگنال‌های آشکارسازی‌شده به خارج از سامانه، کابلی میان این بخش فوق‌سرد و محیطی با دمای اتاق متصل می‌شود.
به‌طور سنتی از کابل‌های کواکسیال استفاده می‌شود که نسبتاً ضخیم هستند و مواد فلزی به‌کاررفته در آن‌ها رسانایی حرارتی بالایی دارند. در نتیجه، گرمای موجود در سمت دارای دمای اتاق به‌طور مداوم از طریق کابل‌ها به محفظه برودتی منتقل می‌شود. این پدیده «بار حرارتی» نام دارد.
کانال‌های آشکارسازی، مسیرهای مستقل و اختصاصی برای دریافت، پردازش و انتقال سیگنال‌های فوتونی هستند. هنگامی که تعداد این کانال‌ها به چند 10 یا چند 100 مورد افزایش می‌یابد، مجموعه عظیم کابل‌ها بار حرارتی سنگینی به محیط فوق‌سرد تحمیل می‌کند. این مسئله باعث افزایش چشمگیر ابعاد سامانه و مصرف انرژی موردنیاز برای خنک‌سازی آن می‌شود. به همین دلیل، پیکربندی‌های استاندارد پیشین معمولاً فقط از حدود ۳۲ کانال پشتیبانی می‌کردند.
برای غلبه بر این محدودیت، گروه پژوهشی شانگهای طراحی سامانه را به‌طور جامع بازنگری کرد. پژوهشگران مواد انعطاف‌پذیر و تخصصی فوق‌نازکی را توسعه دادند که «خطوط میکرواستریپ چند‌هسته‌ای با چگالی بالا» نامیده می‌شوند.
این مواد و ساختار جدید، عایق حرارتی بسیار مؤثری دارند. به گفته پژوهشگران، میزان گرمایی که از طریق این ساختار به داخل سامانه نشت می‌کند، تنها یک‌بیست‌ویکم میزان گرمای منتقل‌شده توسط کابل‌های ضخیم متداول است.
پژوهشگران همچنین با مجموعه‌ای از نوآوری‌های معماری، توانستند پایداری عملکرد و کوچک‌سازی طراحی موازی در مقیاس بزرگ را محقق کنند. این سامانه در شرایط معمول توان خنک‌سازی، به‌راحتی از بیش از ۱۰۰ کانال آشکارسازی مستقل پشتیبانی می‌کند و در عین حال، پایداری بلندمدت خود را حفظ می‌کند.
در یک آزمایش پیوسته هفت‌روزه که به‌صورت شبانه‌روزی انجام شد، دمای سکوی برودتی به‌طور پایدار زیر ۲.۱ کلوین باقی ماند؛ دمایی بسیار پایین که به حد فیزیکی صفر مطلق، معادل صفر کلوین یا منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد، بسیار نزدیک است.
نتایج آزمایش‌ها همچنین نشان داد که بازده آشکارسازی سامانه برای تمام کانال‌ها بیش از ۸۰ درصد بوده و نرخ هشدارهای کاذب سیگنال نیز بسیار پایین باقی مانده است.
آزمایش شبکه درهم‌تنیدگی کوانتومی با پنج کاربر
برای اثبات قابلیت‌های این فناوری در شرایط عملی، گروه پژوهشی یک شبکه توزیع درهم‌تنیدگی کوانتومی با پنج کاربر ساخت که در آن همه کاربران به یکدیگر متصل بودند. این ساختار در مجموع ۱۰ پیوند کوانتومی دوطرفه میان پنج کاربر ایجاد کرد. هر کاربر نیز از طریق کانال‌های جدید توسعه‌یافته، فوتون‌های درهم‌تنیده دریافت می‌کرد.
نتایج آزمایش نشان داد که وفاداری ارتباطی در هر ۱۰ پیوند از ۹۰ درصد فراتر رفته است.
وفاداری ارتباطی معیاری برای سنجش میزان حفظ اطلاعات در یک کانال کوانتومی است؛ هرچه این مقدار بیشتر باشد، وضعیت کوانتومی موردنظر با دقت بیشتری حفظ شده است.
این نتایج نشان می‌دهند که فناوری جدید می‌تواند زیرساختی برای شبکه‌های کوانتومی چندکاربره فراهم کند؛ شبکه‌هایی که برای توسعه ارتباطات کوانتومی در مقیاس بزرگ به آشکارسازی موازی و دقیق فوتون‌ها نیاز دارند.
منبع: scmp
