کاربرد نانولوله‌ها در توسعه فناوری اطلاعات کوانتومی
به گزارش سایت فناوری‌های همگرا (NBIC)در ارتباطات نوری، اطلاعات حساس (از شماره کارت اعتباری گرفته تا اطلاعات امنیت ملی) از طریق جریان پالس‌های لیزری منتقل می‌شوند. با این وجود امکان سرقت داده‌های منتقل‌شده از این روش، با جداسازی تعداد کمی از فوتون‌های (کوانتوم‌های نور) پالس لیزر وجود دارد.
با استفاده از رمزگذاری روی حالت مکانیک کوانتومی ذرات فوتون (به عنوان مثال حالت قطبیده شده)، می‌توان از این نوع سرقت جلوگیری کرد. توانایی تولید فوتون‌های منفرد (که تقاضای بالایی دارد) کلید اصلی فهم چنین ارتباطاتی است.
محققین مرکز لوس آلاموس (Los Alamos) با قرار دادن نانولوله‌های کربنی تک‌جداره در شبکه سیلیکون‌دی‌اکسید (SiO2)، یک ماده ناخالص شده با اکسیژن ساخته‌اند که قادر به نشر فوتون منفرد در دمای محیط و بدون نوسان است. با این فناوری افق جدیدی برای تولید فوتون منفرد که میزان تقاضایی بالایی نیز دارد، روشن شده‌است. مجلهNature Nanotechnology این یافته‌ها را به چاپ رسانده‌است.
فوتون‌های نشر یافته توسط لیزر به صورت تصادفی با زمان توزیع می‌شوند. در نتیجه نشر هم زمان دو و یا تعداد بیشتری فوتون امکان‌پذیر است. برای تولید فوتون منفرد، به یک سیستم دو مرحله‌ای مکانیک کوانتومی نیاز است که بتواند تنها یک فوتون را در یک چرخه تحریک و نشر (excitation-emission cycle) تولید کند.
ملزومات فنی مورد نیاز برای ارتباطات کوانتومی، قابلیت تولید فوتون‌های منفرد در محدوده 1300 تا 1500 نانومتر، در دمای محیط و سازگاری با فناوری میکروساخت سیلیکونی را شامل می‌شود. فناوری میکروساخت سیلیکونی، امکان تحریک الکتریکی و به کارگیری دیگر اجزای شبکه‌های الکترونیکی و فوتونی را فراهم می‌کند.
تحقیقات اولیه مشخص نموده‌است که استفاده از نانولوله‌های کربنی در ارتباطات کوانتومی با دو چالش روبرو هستند:
1- مواد با قابلیت نشر فوتون منفرد تنها در دماهای بسیار پایین عمل می‌کنند.
2- نشر این مواد کم بازده بوده، دارای نوسان‌های شدید است و به تدریج ضعیف می‌شود.
مطالعات جدید نشان می‌دهد، به کارگیری نانولوله‌های کربنی ابتدایی در شبکه سیلیکون‌دی‌اکسید، قابلیت استفاده از حالت ناخالص‌شده با اکسیژن را فراهم می‌کند. این حالت‌ها می‌توانند فوتون‌های منفرد فاقد نوسان را در دمای محیط و در محدوده طول موج 1100 تا 1300 نانومتر نشر دهند.
نانولوله‌های ترکیبی با اکسیژن را می‌توان در یک لایه سلیکون‌دی‌اکسید ترسیم شده بر یک ویفر سیلیکونی قرار داد. با این کار فرصتی ایجاد می‌شود تا از فناوری‌های ساخت قطعات میکروالکترونیکی، به منظور توسعه منابع تولید فوتون منفرد (با محرک الکتریکی) و ادغام این منابع در قطعات و شبکه‌های کوانتومی- فوتونی استفاده شود.
علاوه بر کاربردهای منابع فوتون منفرد با پایه نانولوله در فناوری‌های ارتباطاتی کوانتومی، از این منابع می‌توان در توسعه فناوری‌های کوانتومی تبدیلی، شامل سنجش جذبی بسیار حساس (ultra-sensitive absorption measurements)، عکس‌برداری پراش جزئی (sub-diffraction imaging) و محاسبات کوانتومی خطی استفاده نمود. ماده به کارگرفته‌شده در این تحقیق کاربردهایی در علوم نوری، پلاسمونیک، الکترونوری و علوم اطلاعات کوانتومی دارد.
این تیم تحقیقاتی با استفاده از تشخیص دهنده‌های فوتونی، توزیع زمانی دو نشر فوتون پی‌درپی را اندازه گرفته و نشر فوتون منفرد را نشان داد. علاوه بر آن، این تیم اثر دما بر بازده و میزان نوسان نشر فوتون و سرعت تضعیف حالت‌های القا شده در یک نانولوله کربنی تک‌جداره را بررسی کرده‌است.
دانشمندان بهترین شرایط را برای مشاهده نشر فوتون منفرد نیز مشخص کرده‌اند. اگر نشر در طول موج 1500 نانومتر تنظیم شود بهترین حالت را ایجاد می‌کند. این خاصیت یک مزیت ویژه نسبت به مواد دیگر دارد، چرا که در آن‌ها نشر یک فوتون تنها در طول موج‌های مجزای کمتر از 1 میکرومتر نیز امکان پذیر است.
