Ang tagumpay ng Quantum Photonics ay nangangako ng isang bagong panahon ng mga malakas na optical circuit

Ang unang paraan ng mundo ng pagsasama ng mga circuit ng kabuuan na gumagamit ng mga photon – light particle – ay nagpapahiwatig ng isang bagong hinaharap para sa ligtas na komunikasyon at computing ng kabuuan.

Ang modernong mundo ay pinalakas ng mga de-koryenteng circuit sa isang “maliit na tilad” – isang maliit na tilad na semiconductor na pinagbabatayan ng mga computer, cell phone, Internet at iba pang mga application. Sa 2025, ang mga tao ay inaasahan na lumikha ng 175 cetatobytes (175 trilyong gigabytes) ng bagong data. Paano natin masisiguro ang seguridad ng sensitibong data na may napakaraming dami? At paano natin matutugunan ang mga isyu tulad ng malalaking hamon, mula sa privacy at seguridad hanggang sa pagbabago ng klima, gamit ang data na ito, lalo na’t binigyan ng limitadong kakayahan ng mga modernong computer?

Ang mga bagong teknolohiya ng kabuuan na komunikasyon at computing ay isang maaasahan na kahalili. Gayunpaman, kakailanganin nito ang laganap na pag-unlad ng bagong malakas na dami ng mga circuit ng optika; mga scheme na may kakayahang ligtas na maproseso ang napakaraming impormasyong nilikha namin araw-araw. Ang mga mananaliksik sa USCAng Kagawaran ng Chemical Engineering at Materyal na Agham ng pamilya ng Carrot ay gumawa ng isang tagumpay sa tulong na isama ang teknolohiyang ito.

Habang ang tradisyunal na de-koryenteng circuit ay ang paraan ng pag-agos ng mga electron mula sa isang singil sa kuryente, ang quantum optical circuit ay gumagamit ng mga mapagkukunan ng ilaw na bumubuo ng mga indibidwal na ilaw na maliit na butil o photon na hinihiling, sunod-sunod, kumikilos bilang mga bit na nagdadala ng impormasyon (mga kabuuan na bit). O qubits ). Ang mga ilaw na mapagkukunan na ito ay semiconductor na “quantum dots” ng nanometers – maliliit na koleksyon ng sampu-libo hanggang milyon-milyong mga atom, na naka-pack sa dami ng linear na laki na mas mababa sa isang libu-libo ng kapal ng tipikal na buhok ng tao na inilibing sa matrix ng isa pang angkop na semiconductor.

Napatunayan pa rin na ang mga ito ang pinaka maraming nalalaman na mga generator ng on-demand na solong-poton. Kinakailangan ng optical circuit na ang mga solong mapagkukunan ng photon na ito ay matatagpuan sa chip ng semiconductor sa normal na mode. Ang mga litrato na may halos parehong haba ng daluyong mula sa mga mapagkukunan ay dapat na ipalabas sa direksyon. Pinapayagan silang manipulahin upang makabuo ng mga pakikipag-ugnayan sa iba pang mga photon at mga particle upang maipadala at maproseso ang impormasyon.

Sa ngayon, nagkaroon ng isang makabuluhang balakid sa pag-unlad ng mga naturang pamamaraan. Halimbawa, sa mga modernong teknolohiya ng produksyon, ang mga tuldok na kabuuan ay may iba’t ibang laki at hugis at binuo sa isang maliit na tilad sa mga random na lokasyon. Ang katotohanan na ang mga tuldok ay may iba’t ibang laki at hugis ay nangangahulugan na ang mga photon na inilalabas nila ay walang parehong haba ng daluyong. Ito at ang kakulangan ng posisyonal na pagkakasunud-sunod ay ginagawang hindi angkop para sa paggamit sa disenyo ng mga optical circuit.

Sa isang kamakailang nai-publish na akda, ipinakita ng mga mananaliksik ng USC na ang mga solong poton ay maaaring maglabas ng pantay mula sa mga tuldok ng kabuuan na matatagpuan nang tumpak. Dapat pansinin na ang paraan ng pagsasaayos ng kabuuan ng tuldok ay unang binuo sa USC sa pamamagitan ng nangungunang PI, Propesor Anupam Madhukar at ang kanyang koponan halos tatlumpung taon na ang nakalilipas, bago pa ang kasalukuyang pagsabog na pagsasaliksik sa impormasyon sa kabuuan at interes sa iisang maliit na tilad. -mga mapagkukunangphotonic. Sa pinakabagong gawaing ito, ang koponan ng USC ay gumamit ng mga naturang diskarte upang lumikha ng mga solong-tuldok na tuldok sa kanilang mahusay na mga katangian ng paglabas ng solong-photon. Inaasahan na ang kakayahang tumpak na ihanay ang pantay na nagniningning na mga tuldok na kabuuan ay magpapahintulot sa paggawa ng mga optical circuit, na maaaring humantong sa mga bagong pagsulong sa mga teknolohiya ng kabuuan ng computing at komunikasyon.

Trabaho na nai-publish sa APL Photonics, na pinamumunuan ni Jiefei Zhang, kasalukuyang isang associate professor sa Department of Chemical Engineering and Materials Science ng Carrot Family, kasama ang kaukulang may-akda na si Anupam Madhukar, Propesor ng Engineering Kenneth T. Norris at Propesor ng Chemical Engineering, Electrical Engineering, Materials Science at Phi .

“Ang tagumpay na ito ay nagbibigay daan sa mga susunod na hakbang na kinakailangan upang lumipat mula sa pagpapakita ng laboratoryo ng solong-poton na pisika hanggang sa malakihang produksyon ng mga circuit ng dami ng photon,” sabi ni Zhang. “Ito ay may mga potensyal na application sa kabuuan (ligtas) na komunikasyon, visualization, sensing at kabuuan pagmomodelo at computing.”

Sinabi ni Madhukar na napakahalaga na ang mga tuldok na kabuuan ay tumpak na naiayos upang ang mga photon na ibinuga mula sa anumang dalawa o higit pang mga point ay maaaring manipulahin upang kumonekta sa bawat isa sa maliit na tilad. Ito ang magiging batayan ng gusali ng gusali para sa mga kabuuan ng optical circuit.

“Kung ang pinagmulan kung saan kinukuha ang mga litrato ay random, hindi ito magagawa.” sabi ni Madhukar.

“Ang modernong teknolohiya na nagbibigay-daan sa amin upang makipag-usap sa online, halimbawa, gamit ang isang platform ng teknolohiya tulad ng Zoom, ay batay sa isang built-in na silicon electronic chip. Kung ang mga transistors sa chip na ito ay hindi inilalagay sa maayos na lugar na disenyo, hindi magkakaroon ng integrated electrical circuit, “sabi ni Madhukar. “Ito ay ang parehong kinakailangan para sa mga mapagkukunan ng photon, tulad ng mga tuldok ng kabuuan, upang lumikha ng mga circuit ng kabuuan ng salamin sa mata.”

“Ang pag-unlad na ito ay isang mahalagang halimbawa ng kung paano ang paglutas ng mga pangunahing problema sa agham ng materyal, tulad ng paglikha ng mga tuldok na kabuuan na may eksaktong posisyon at komposisyon, ay maaaring magkaroon ng mga pangunahing implikasyon para sa mga teknolohiya tulad ng computing ng kabuuan,” sabi ni Evan Runnerstrom, pinuno ng Army Research Office., isang elemento ng US Army Combat Capilities Development Command Research Laboratory. “Ipinapakita nito kung paano suportahan ang mga naka-target na pamumuhunan ng ARO sa pangunahing pananaliksik sa patuloy na pagsisikap ng Army na gawing makabago ang mga lugar tulad ng networking.”

Upang lumikha ng isang tumpak na layout ng kabuuan ng tuldok para sa mga circuit, ginamit ng koponan ang SESRE (substrate-encode na laki-pagbabawas) na pamamaraan na binuo ng Madhukar group noong unang bahagi ng 1990. Sa kasalukuyang trabaho, ang koponan ay gumawa ng regular na mga arrays ng mesos na laki ng isang nanometer (Larawan 1 (a)) na may isang tiyak na orientation ng gilid, hugis (sidewalls) at lalim sa isang flat semiconductor substrate na binubuo ng gallium arsenide (GaAs). Pagkatapos ay nilikha ang mga tuldok na dami ng mesa sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga naaangkop na atomo gamit ang sumusunod na pamamaraan.

Mga optikal na iskema ng mga photonics ng kabuuan

Larawan 1. (a) Pag-scan ng imaging electron microscope (SEM) ng orihinal na laki-laki ng laki ng nanometer na hanay na nilikha sa isang flat substrate na semiconductor; (b) Ang diagram ng ebolusyon ng profile ng karne kapag ang materyal ay inilapat sa mga itim na arrow na nagpapakita ng direksyon ng paglipat ng atomic, na humahantong muna sa pagbawas sa laki ng GaAs (diskarte ng SESRE) at pagkatapos ay sa paglalapat ng InAs quantum dots ( pula) sa pinababang sukat mula sa itaas hanggang sa likod ng mga GaA upang ilibing ang mga pulang InA; Ang isang imahe ng isang SEM na karne na nagdadala ng isang solong tuldok na tuldok ay ipinapakita sa ibaba; (c) Ipinapakita ang isang ipinatupad na hanay ng mga tuldok na kabuuan na inilibing sa ilalim ng isang planarized na ibabaw ng GaA na ipinakita nang sagisag bilang isang translucent overlay upang makagawa ng isang visualisasyon (GaAs opaque). Kredito: USC

Una, ang mga papasok na mga atom ng gallium (Ga) ay nagtitipon sa tuktok ng mga kalat ng nanoscale (mga itim na arrow sa Larawan 1. (b)) na naaakit ng mga puwersang enerhiya sa ibabaw, kung saan inilalagay ang mga GaA (itim na tabas sa tuktok ng karne, Fig . 1 (b).)). Ang papasok na pagkilos ng bagay ay inilipat sa mga atomo ng (In) atomo upang ideposito ang indium arsenide (InAs) (pulang rehiyon sa Larawan 1 (b)) at pagkatapos ang mga Ga atoms, na bumubuo ng GaAs at sa gayon ay lumilikha ng nais na mga indibidwal na puntos ng kabuuan ( nangungunang imahe sa Larawan 1 (b)) na kalaunan ay naglalabas ng mga solong larawan. Upang maging kapaki-pakinabang para sa paglikha ng mga optical circuit, ang puwang sa pagitan ng hugis ng mga pyramid na nanomees ay dapat na puno ng isang materyal na antas sa ibabaw. Ang huling chip ay eskematikal na ipinakita sa Fig. 1 (c), kung saan ang mga opaque GaA ay makikita bilang isang translucent layer kung saan matatagpuan ang mga tuldok na kabuuan.

“Ang gawaing ito ay nagtatakda rin ng isang bagong rekord sa mundo para sa nakaayos at nasusukat na mga tuldok na dami sa mga tuntunin ng sabay na solong-litratong kadalisayan na higit sa 99.5% at pagkakapareho ng haba ng daluyong ng mga nilabas na mga photon, na maaaring maging makitid ng 1.8 nm, na kung saan ay 20 –40 beses na mas mahusay kaysa sa mga tipikal na tuldok ng kabuuan, “sinabi ni Zhang.

Sinabi ni Zhang na sa naturang homogeneity, posible na gumamit ng mga itinatag na pamamaraan tulad ng lokal na pag-init o mga patlang ng kuryente upang maayos ang mga haba ng daluyong ng mga tuldok na dami ng photon sa punto ng pagkakataon, na kinakailangan upang lumikha ng mga kinakailangang ugnayan sa pagitan ng iba’t ibang mga tuldok ng kabuuan. para sa mga tanikala.

Nangangahulugan ito na sa kauna-unahang pagkakataon, ang mga mananaliksik ay maaaring lumikha ng nasusukat na mga potum na poton chip gamit ang mga kilalang diskarte sa pagpoproseso ng semiconductor. Bilang karagdagan, ang mga pagsisikap ng koponan ay nakatuon ngayon sa pagtukoy kung paano magkapareho ang mga nilalabas na mga photon mula sa pareho at / o magkakaibang mga tuldok na kabuuan. Ang antas ng kawalan ng pagkakaiba-iba ay sentro ng mga dami ng mga epekto ng panghihimasok at interweaving na pinagbabatayan ng dami ng pagproseso ng impormasyon – komunikasyon, sensing, visualization, o pagkalkula.

Bilang konklusyon, sinabi ni Zhang, “Mayroon na kaming diskarte at isang materyal na platform upang magbigay ng nasusukat at maayos na mga mapagkukunan na makabuo ng potensyal na hindi makilala na solong-photon para sa mga application ng dami ng impormasyon. Ang diskarte ay pangkalahatan at maaaring magamit para sa iba pang naaangkop na mga kumbinasyon ng mga materyales upang lumikha ng mga tuldok na dami na naglalabas sa isang malawak na hanay ng mga haba ng daluyong na ginustong para sa iba’t ibang mga application, tulad ng fiber-based na komunikasyon sa salamin o medium infrared mode, na angkop para sa pagsubaybay sa kapaligiran at medikal na pagsusuri , ”Sabi ni Zhang.

Sinabi ni Gernot S. Pomrenke, AFOSR Program Officer, Optoelectronics at Photonics, na maaasahang on-demand arrays ng mga on-demand na mapagkukunan ay isang mahalagang hakbang pasulong.

“Ang kamangha-manghang paglago at pagtatrabaho sa mga materyal na agham ay umabot ng higit sa tatlong dekada ng nakatuon na pagsisikap bago ang pagsasaliksik sa impormasyong pang-kabuuan ay pinakamahalaga,” sabi ni Pomrenke. “Ang paunang pondo ng AFOSR at ang mga mapagkukunan ng iba pang mga kagawaran ay mahalaga sa pagpapatupad ng kumplikadong gawain at paningin ng Madhukar, kanyang mga mag-aaral at kawani. Malamang na ang gawaing ito ay nagbabago sa kakayahan ng mga data center, medikal na diagnostic, proteksyon, at mga kaugnay na teknolohiya. “

Sanggunian: “Binalak na Spatially Regular Arrays ng Spectrally Homogeneous Single Quantum Points bilang Mga Pinagmulan ng Single-Crystal Single-Photon para sa Quantum Optical Circuits” APL Photonics.
DOI: 10.1063 / 5.0018422

Kabilang sa mga kapwa may-akda ng artikulo ay sina Qi Huang at Lucas Jordao mula sa Kagawaran ng Chemical Engineering at Materyal na Agham ng Pamilyang Carrot ng USC, Surnabha Chataraj mula sa Kagawaran ng Elektrikal at Computer Engineering na si Ming Xie at Xiyuan Lu mula sa IBM Thomas J. Watson Research Center.

Ang pag-aaral ay suportado ng Air Force Research Office (AFOSR) at ng U.S. Army Office of Research (ARO).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

82% ng Mga Tao na Na-ospital Sa COVID-19 Bumuo ng Mga Neurological Problems

Isinasaalang-alang ang tomography ng utak. Ang mga pasyente na may mga karamdaman na nagpapahiwatig ng neurological ay kasangkot COVID-19 anim na beses na mas malamang...

“Gobsmacked” – Ang Melanie Wood ng Harvard ay Naging Unang Babae na Nanalo ng $ 1M Waterman Award sa Math

Si Melanie Wood ang unang babaeng nanalo ng isang Waterman Award sa matematika. Kredito: Stephanie Mitchell / Harvard Staff Photographer Kinikilala para sa mga...

Bagong Pagong na Natagpuan sa Huling Cretaceous ng Madagascar

Ang pagbabagong-tatag ng buhay ng Sahonachelys mailakavava, umaatake sa Madagascan na palaka tadpoles na si Belzebufo ay nagprotesta gamit ang isang espesyal na diyeta...

Natuklasan ng mga siyentista na ang loob ng Saturn – ang makapal na layer ng helium – ay nakakaapekto sa magnetic field ng mga...

Ang magnetikong patlang ni Saturn na nakikita sa itaas. Credit-Ancate Barrick / Jones Hopkins University Ginagaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyong kinakailangan para...

Lumilikha ang mga mananaliksik ng cybersecurity ng mas mahusay na kanaryo – gamit ang AI upang lumikha ng pekeng mga dokumento

Ang bagong artipisyal na sistema ng katalinuhan ay lumilikha ng mga pekeng dokumento upang linlangin ang mga kalaban. Sa panahon ng World War II, ang...

Newsletter

Subscribe to stay updated.