کد خبر : 99 دوشنبه 29 دی 1393 - 14:37:11
گامی-رو-به-جلو-در-فناوری‌های-کوانتومی

ابداع فراماده هیپربولیکی و افزایش گسیل تک فوتونی

گامی رو به جلو در فناوری‌های کوانتومی

سیناپرس: پژوهشگران روش جدیدی ابداع کردند که بتوان گسیل تک فوتون را با استفاده از فرامواد هیپربولیک افزایش داد. ابداع این روش گامی رو به جلو در جهت ساخت ادوات مورد نیاز برای توسعه فناوری‌های مخابراتی و محاسبات کوانتومی است.
سیناپرس: ثمین موتمن فر/ فرامواد نوری، ابری از الکترون‌های آزاد به نام پلاسمون‌های سطحی را تحت کنترل خود در می‌آورند تا بتوان نور را دستکاری و یا کنترل نمود. پژوهشگران دانشگاه پردو پیش از این موفق به ساخت «ابَرشبکه‌ها» از لایه‌ فلزی از جنس نیترید تیتانیوم و لایه عایق یا دی‌الکتریکی از جنس نیترید اسکاندیم آلومینیم شده بودند اما در تحقیق جدیدی موفق به ساخت فراماده‌‌ای شدند که بر خلاف برخی از اجزای پلاسمونیک که در حال توسعه و بر پایه استفاده از فلزات گرانبهایی چون طلا و نقره هستند، کاملا با فرایند ساخت فلز/اکسید/نیمه‌هادی در مدارات مجتمع سازگار است.

این فراماده به دلیل دارا بودن ویژگی‌های بی‌نظیری که موجب افزایش نور خورجی می‌شود، هیپربولیک نامیده می‌شود. پژوهشگران در یافته‌های جدید دیگری نشان دادند که اتصال نانوالماس حاوی «نیتروژن مرکز تهی» به فراماده جدید موجب افزایش تولید فوتون‌های منفرد می‌شود که عهده‌دار پردازش اطلاعات کوانتومی هستند و می‌توانند فناوری‌های ارتباطات، رمزنگاری و ابررایانه‌ها را به ارمغان بیاورند.

 

ساخت امیتر تک فوتونه با فناوری CMOS

الکساندر کیلدیشف، استادیار مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه پردو می‌گوید: «نتایج به دست آمده نشان می‌دهند که درخشندگی امیتر تک فوتونه مبتنی بر نانوالماس می‌تواند با قرار دادن آن روی سطح فراماده هیپربولیک تا حد زیادیی افزایش پیدا کند. از امیترهای تک فوتونه می‌توان در ساخت منابع تک فوتون سازگار با فناوری CMOS پربازده در دمای اتاق استفاده کرد.» 

فــناوری اکـسید فــلز نیمه‌هادی مکـمل یا CMOS یک فناوری بـرجـسته در صنـعـت جهانی مـدارهای مـجـتـمع ( IC ) است و به عـنـوان مـحـصولاتـی با اتـلاف تـــوان کم و چگالی زیاد و وسیله سوییچ کـننده نسبتا ایـده‌آل شناخـته شـده است.

جزئیات یافته‌های پژوهشگران در مقاله‌ جدید ژورنال لیزر و فوتونیک منتشر شده است و در این تحقیق علاوه بر دانشگاه پردو، پژوهشگرانی از مرکز کوانتومی روسیه، موسسه فیزیک و فناوری مسکو، موسسه فیزیکی لبدوف و شرکت فناوری‌های فرانانو فوتونیک نیز همکاری داشتند.

 

نقص در شبکه کریستال اما مفید

 میشل شالاگینوف نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «نیتروژن مرکز تهی در واقع یک نقص در مقیاس اتمی است که توسط جایگزین کردن یک اتم نیتروژن با یک اتم کربن و ایجاد یک خلاء همسایه در شبکه الماس شکل می‌گیرد. قرار دادن یک نانوالماس حاوی نیتروژن مرکز تهی روی سطح فرامواد هیپربولیک نه تنها باعث افزایش گسیل فوتون‌ها می‌شود، بلکه الگوی نور گسیل یافته را نیز تغییر می‌دهد که این ویژگی در توسعه ادوات کوانتومی می‌تواند نقش مهمی ایفا کند.»

شالاگینوف وکیلدیشف با گروهی از پژوهشگران به سرپرستی مدیر علمی نانوفوتونیک مرکز فناوری نانوی بیرک در دانشگاه پردو به نام ولادیمیر شالائف، مدیر علمی نانوفوتونیک در مرکز فناوری نانو پوردو که به عنوان استاد ممتاز مهندسی برق و کامپیوتر شناخته شده است و الکساندرا بولتاسوا، استادیار مهندسی برق و کامپیوتر همکاری مستمر دارند. پروفسور شالائف، بولتاسوا و کیلدیشف از اعضای «تیم برتر» دانشگاه پردو هستند که پژوهش‌های آنها در زمینه فوتونیک کوانتومی است.

از آنجا که سیستم ابداع شده، منبع پایداری از تک فوتون‌ها را ارائه می‌کند که در دمای اتاق کار می‌کند لذا برای کاربردهای تجاری نیز عملی خواهد بود. هنگامی که این سیستم در معرض نور یک لیزر قرار گیرد، از حالت پایه به حالت برانگیخته می‌رسد و رفتن از حالت پایه به حالت برانگیخته باعث می‌شود که سیستم خودبه‌خود یک فوتون منتشر کند.

کیلدیشف می‌گوید: «ما علاقه‌مندیم کاری کنیم که گسیل سریع‌تر انجام شود تا نرخ فوتون‌هایی که از سیستم ساطع می‌شوند افزایش پیدا کند.» 

یافته‌های تحقیق حاکی از این است که سیستم فوق قادر است تک فوتون‌ها را با سرعت بیشتر، تعداد بیشتر و در جهات مختلف تولید کند.

 

فراتر از ماده

فرامواد یا متامتریال ترکیبات مصنوعی از مواد مختلف هستند که خواص نوری غیر طبیعی از خود نشان می‌دهند. آنچه این مواد را غیر معمول کرده است، خاصیت ضریب شکست منفی نور در آنها است، به این معنا که این مواد نور را در جهت مخالف مواد عادی منکسر می‌کنند. مواد الکترومغناطیس تشکیل دهنده آنها می‌تواند با دستکاری مختصر و دقیق در ساختارشان تنظیم شود. خواص نامتعارف این مواد سبب شده است کنترل بی‌نظیری از نور را ممکن کنند و تحولی در ادوات الکترونیکی سرعت بالا، سنسورهای پیشرفته و سلول‌های خورشیدی ایجاد کرده‌اند.  

فرامواد با مهندسی کردن سطوح دارای ویژگی‌ها، الگوها یا اجزائی چون آنتن‌های ریز یا لایه‌های متغیر نیترید که کنترل بی‌نظیر نور را ممکن می‌کند ایجاد می‌شوند. فرامواد نوری که از مولکول‌ها و اتم‌های مصنوعی ساخته می‌شوند، قابلیت غیرعادیشان را مدیون مهندسی دقیق در ابعاد نانومتر هستند.

 

علم محاسبات کوانتومی

علم محاسبات کوانتوم در اصل، بر مبنای علم مکانیک کوانتوم پایه‌ریزی شده است. در علم محاسبات کوانتومی، کوچکترین واحد اطلاعات، «کیوبیت» نام دارد که مخفف کوانتوم بیت است. تنها تفاوت کیوبیت با بیت در این است که کیوبیت می‌تواند در هر لحظه، تعداد بی‌شماری مقدار مختلف به خود اختصاص دهد و کیوبیت‌ها ظرفیت پردازش، ذخیره و انتقال اطلاعات را افزایش می‌دهند.

رایانه‌های کوانتومی نیز بر اساس همین نظریه‌ طراحی می‌شوند. از نقطه نظر محاسباتی، هیچ تفاوتی بین رایانه شخصی و یک رایانه کوانتومی وجود ندارد. زیرا رایانه‌های کوانتومی نیز بر اساس چهار عمل اصلی یعنی جمع، تفریق، ضرب و تقسیم کار می‌کنند. تنها تفاوت عمده و بارز رایانه‌های کوانتومی در قدرت باورنکردنی آن‌ها در انجام محاسبات گوناگون به شکل موازی و نهفته است.

رایانه‌های کوانتومی از مزایای پدیده‌ای بهره‌ می‌برند که توسط نظریه کوانتوم به نام «برهم‌نهی» و «درهم‌تنیدگی» توصیف می‌شود. به جای حالت‌های صرفا یک و صرفا صفری که در رایانه‌های کوانتومی رایج استفاده می‌شوند، تعداد زیادی از «حالت‌های کوانتومی جمع‌آثاری» ممکن وجود دارند. نیتروژن مرکز تهی نیز قابلیت ثبت اطلاعات را بر پایه حالت مرکز اسپین الکترونی یا هسته را با نوید توسعه محاسبات کوانتومی فراهم می‌کند. اسپین می‌تواند روبه «بالا» یا روبه «پایین» باشد که حالت‌های جمع آثار بالا و پایین را تشکیل می‌دهند و فناوری نوینی برای پردازش اطلاعات ارائه می‌کنند.

تحقیقات آتی در این زمینه می‌تواند به بهبود سیستم‌ توسط ادوات ترکیب کننده فرامواد هیپربولیک با نانوآنتن‌ها و موجبرهای نوری محدود شود تا بتوان بازده سیستم را افزایش داد و فشرده‌تر ساخت. تحقیق در حال انجام نیز ممکن است به بهبود «خواص اسپین» سیستم توسط نیتروژن مرکز تهی و مطالعه بیشتر روی تباین نوری بین حالت‌های بالا و پایین منجر شود.


منبع

نظرات شما

[کد امنیتی جدید]