پژوهشگران «دانشگاه بایروت»(University of Bayreuth) در بررسی جدید خود نشان داده‌اند که بروز ارتعاشات در مواد جامد موسوم به «فونون‌ها»(Phonons) ممکن است عملکرد ساختارهای کوچکی به نام نقاط کوانتومی را به عنوان منابع تک‌فوتونی افزایش دهد و با توجه به این که فونون‌ها معمولا به عنوان منابع اختلال در سیستم‌های کوانتومی در نظر گرفته می‌شوند، یک پیچ‌وتاب شگفت‌آور را پدید آورند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، پژوهشگران دریافتند فونون‌ها می‌توانند ویژگی موسوم به «انسجام تعداد فوتون» را بهبود ببخشند که بر چگونگی حفظ رفتار کوانتومی ظریف یک سیستم کوانتومی تأثیر می‌گذارد. «پل هاگن»(Paul Hagen) از پژوهشگران این پروژه گفت: این معیار نشان می‌دهد که فوتون گسیل‌شده چقدر کوانتومی است.

این کشف به‌ویژه برای نقاط کوانتومی که منابع تک‌فوتونی امیدوارکننده هستند، اهمیت دارد. هاگن گفت: نقاط کوانتومی، مشکلات منابع تک‌فوتونی دیگر را ندارند. نقاط کوانتومی واقعا منابع تک‌فوتونی هستند و همان طور که متوجه شدیم، انسجام تعداد فوتون نوری تولیدشده توسط آنها را می‌توان با انتخاب پارامترهای گوناگون تحریک تا حد زیادی تنظیم کرد.

یافته‌های این پژوهش می‌توانند راه را برای منابع تک‌فوتونی بسیار تنظیم‌پذیر با کاربردهایی در ارتباطات کوانتومی، رمزنگاری و سایر فناوری‌های در حال توسعه کوانتومی هموار کنند.

فناوری‌های کوانتومی به سرعت در حال پیشرفت هستند و کاربردهایی را از ارتباطات فوق ‌ایمن و محاسبات کوانتومی قوی گرفته تا حسگرها و سیستم‌های تصویربرداری بسیار دقیق شامل می‌شوند. این نوآوری‌ها می‌توانند انقلابی را در حوزه‌هایی مانند امنیت سایبری، کشف دارو، علم مواد و ناوبری ایجاد کنند.

در این میان، ارتباطات کوانتومی به دلیل توانایی خود در فعال کردن انتقال فوق امن داده با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی مانند توزیع کلید کوانتومی، متمایز هستند. با وجود این، عملکرد مناسب آنها به شدت به در دسترس بودن منابع تک‌فوتونی قابل اعتماد بستگی دارد.

فوتون‌ها اطلاعات را به صورت کیوبیت حمل می‌کنند که معادل کوانتومی بیت‌های کلاسیک است. بر خلاف بیت‌های کلاسیک که فقط می‌توانند ۰ یا ۱ باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند در یک برهم‌نهی از هر دو حالت به طور هم‌زمان وجود داشته باشند و رمزگذاری داده‌ها را پیچیده‌تر و امن‌تر ‌کنند.

توانایی منبع برای انتشار دقیقا یک فوتون در یک زمان برای اطمینان از انتقال ایمن پیام بسیار مهم است. براساس مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری وضعیت یک سیستم به ناچار آن را تغییر می‌دهد. بنابراین، اگر فقط یک فوتون گسیل شود، نمی‌توان آن را به صورت پنهان اندازه‌گیری کرد.

با وجود این، اگر چندین فوتون حامل اطلاعات یکسان به طور تصادفی ساطع شوند، فقط می‌تواند یکی از آنها را رهگیری کند، زیرا این فوتون‌های اضافی به یک شکل به هم متصل نیستند. سپس، این فوتون‌های بی‌تأثیر بدون هیچ نشانه‌ای از دستکاری به طرف گیرنده می‌رسند و اجازه می‌دهند که امنیت حفظ شود.

روی آوردن به نقاط کوانتومی به عنوان منابع تک‌فوتونی

یافتن یک منبع تک‌فوتونی قابل اعتماد، چالش‌برانگیز است. یکی از گزینه‌های تولید آنها که توسط جامعه علمی مورد بررسی قرار گرفته، از طریق لیزر بوده است اما چنین روش‌هایی با محدودیت‌های قابل توجهی همراه هستند. به عنوان مثال، برای جلوگیری از انتشار چند فوتون، لیزر باید با شدت بسیار کم کار کند و این امر، سرعت انتقال اطلاعات را به شدت کاهش می‌دهد.

این چالش‌ها پژوهشگران را به کشف منابع جایگزین تک‌فوتونی سوق داده‌اند که در آنها نقاط کوانتومی به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین گزینه‌ها ظاهر می‌شوند. این مواد نیمه‌رسانا که اندازه آنها تنها چند نانومتر است، به دلیل مقیاس کوچک خود ویژگی‌های نوری و الکترونیکی منحصربه‌فردی را نشان می‌دهند که اثرات کوانتومی در آنها نقش مهمی را بر عهده دارند. هنگامی که نقاط کوانتومی با نور لیزر هدایت می‌شوند، می‌توانند دقیقا یک فوتون را در یک زمان ساطع کنند.

نقاط کوانتومی به دلیل تعامل با محیط اطراف به ویژه ارتعاشات شبکه کریستالی، مدت‌هاست که به عنوان منابع تک‌فوتونی مشکل‌ساز در نظر گرفته می‌شوند. این ارتعاشات می‌توانند بر سطوح انرژی الکترون‌های درون اتم‌های تشکیل‌دهنده نقطه کوانتومی تأثیر بگذارند و کنترل زمان، طول موج و تعداد فوتون‌های ساطع‌شده را مختل کنند که برای گسیل تک‌فوتونی قابل اطمینان بسیار مهم است.

پژوهش دانشگاه بایروت، این فرضیه را به چالش می‌کشد که تعامل بین نقاط کوانتومی و فونون‌ها همیشه برای انتشار تک‌فوتونی قابل اطمینان، مضر است. پژوهشگران برای بررسی این موضوع، یک بررسی مکانیک کوانتومی مفصل را درباره تعامل فونون‌ها با نقاط کوانتومی و تأثیر آنها بر ویژگی‌های فوتون ساطع‌شده انجام دادند.

پژوهشگران، تعاملات پیچیده بین نقاط کوانتومی و فونون‌ها را مورد بررسی قرار دادند و چگونگی تأثیر آنها را بر ویژگی فوتون‌های ساطع‌شده ارزیابی کردند. آنها در کمال تعجب دریافتند که تحت شرایط خاصی مانند شدت مناسب لیزر محرک، فونون‌ها می‌توانند انسجام تعداد فوتون را در نقطه کوانتومی افزایش دهند. انسجام تعداد فوتون، یک ویژگی کلیدی است که بر چگونگی حفظ رفتار کوانتومی نور ساطع‌شده تأثیر می‌گذارد.

پژوهشگران برای رسیدن به این هدف، بر روش‌های عددی پیشرفته تکیه کردند و حتی الگوریتم ریاضی خود را توسعه دادند. تکمیل این فرآیند بیش از یک دهه طول کشید.

اگرچه این پژوهش نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل توجه است و ارتباطات کوانتومی قابل اعتمادتر را با میزان بالاتری از انتقال اطلاعات نوید می‌دهد، اما هنوز چیزهای زیادی برای کشف شدن باقی مانده‌اند. هاگن گفت: بررسی انسجام تعداد فوتون در تک‌فوتون‌های ساطع‌شده از نقطه کوانتومی، یک حوزه جدید است و ما صرفا مقدمات آن را فراهم کرده‌ایم.

پژوهش‌های آینده بر اصلاح مکانیسم‌هایی تمرکز خواهند کرد که به انتشار تک‌فوتون در نقاط کوانتومی می‌انجامند و طراحی و محیط اطراف آنها را نیز بهبود می‌بخشند تا این فرآیند برای کاربردهای خاص، دقیق‌تر و قابل اطمینان‌تر شود.

این پژوهش در مجله «Advanced Quantum Technologies» به چاپ رسید.