خبرگزاری دانشجواتمهای سرد روی تراشه، نویدبخش رایانه‌ها و حسگرهای کوانتومی مینیاتوری هستند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، تصور کنید دستگاهی را در جیب خود حمل می‌کنید که می‌تواند افزایش سطح دریا را با دقت بسیار بالایی اندازه‌گیری کند، زلزله را از صد‌ها کیلومتر دورتر تشخیص دهد یا حتی به جستجوی ماده تاریک گریزان کمک کند.
برای دهه‌ها، چنین دقتی تنها در آزمایشگاه‌های فیزیک بسیار کنترل‌شده امکان‌پذیر بوده است، جایی که آزمایش‌های اتم سرد، اتاق‌های کاملی را با میز‌های نوری، قفسه‌های لیزر و ابزار‌های ظریف اشغال می‌کنند.
با این حال، اکنون محققان دانشگاه کالیفرنیا (UC) سانتا باربارا در حال یافتن راه‌هایی برای کوچک کردن این تنظیمات به تراشه‌هایی به اندازه کف دست هستند. دستاورد آنها می‌تواند نحوه کاوش ما در دنیای کوانتومی و فناوری‌هایی از ناوبری و نظارت بر آب و هوا گرفته تا زمان‌بندی و محاسبات کوانتومی را متحول کند.
دنیل بلومنتال، محقق ارشد و استاد دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، گفت: شما می‌توانید افزایش سطح دریا، تغییرات در یخ دریا و حتی زلزله را با دقت صد کیلومتر اندازه‌گیری کنید. علاوه بر این، اندازه‌گیری دقیق زمان در فضا، راه‌های جدیدی را برای آزمایش‌های گرانشی و جستجوی ذرات جدید مانند ماده تاریک باز خواهد کرد.
ساخت تراشه‌های کوانتومی کوچک واقعاً دشوار است
چالش همیشه این بوده است که آزمایش‌های اتم سرد بسیار پیچیده هستند. اتم‌ها باید به دام بیفتند، تقریباً تا صفر مطلق سرد شوند و با لیزر‌هایی که با سطوح شگفت‌انگیزی از دقت تنظیم شده‌اند، بررسی شوند.
تا همین اواخر، این امر نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی حجیم و بدون لرزش داشت که حمل آنها به میدان یا فضا غیرممکن بود. با این حال، بلومنتال و تیمش بیش از یک دهه را صرف بررسی این امکان کرده‌اند - چه می‌شود اگر تمام عملکرد‌های یک میز نوری را بتوان کوچک کرد و مستقیماً روی یک تراشه ساخت؟
تحقیقات آنها با پروژه‌های دفاعی آغاز شد. آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده (DARPA) ساعت‌های اتمی کوچک‌تری می‌خواست که بر نوسانات ثابت اتم‌هایی مانند سزیم یا روبیدیوم متکی باشند.
محققان روی تحویل پرتو، سیستمی از لیزرها که این اتم‌ها را به دام انداخته و خنک می‌کند، کار کردند. با این حال، آنها نمی‌خواستند اینجا متوقف شوند. آنها می‌خواستند بدانند که آیا کل میز نوری (لیزرها، آینه‌ها، مدولاتورها، تثبیت‌کننده‌ها و تغییردهنده‌های فرکانس) کوچک شده و روی یک تراشه ادغام می‌شود یا خیر؟
این کار کوچکی نبود. در یک میز نوری سنتی، هر جزء با دقت تراز و تثبیت می‌شود. تکرار این دقت روی یک تراشه نه تنها به مهندسی پیشرفته، بلکه به مواد و طرح‌های جدید نیز نیاز دارد.
تبدیل سیستم‌های حجیم به سیستم‌های مینیاتوری
برای دستیابی به این هدف، محققان به فوتونیک مجتمع، فناوری‌ای که در حال حاضر دستگاه‌های مخابراتی و پزشکی را تغذیه می‌کند، تکیه کردند. مدار‌های مجتمع فوتونیک، نور را هدایت و دستکاری می‌کنند، دقیقاً مانند کاری که تراشه‌های الکترونیکی با برق انجام می‌دهند.
سال‌های زیادی طول کشید، اما تا سال ۲۰۲۳، محققان به یک نقطه عطف رسیدند. آنها اتم‌های روبیدیوم سرد را با استفاده از پرتو‌هایی که توسط تله مغناطیسی-نوری سه‌بعدی مجتمع فوتونی (PICMOT) آنها ارسال می‌شد، ایجاد کردند. این سیستم از موجبر‌های نیترید سیلیکون برای ارسال پرتو‌های لیزر به یک سلول خلاء پر از بخار روبیدیوم استفاده می‌کرد.
آنها با کمک سیم‌پیچ‌های مغناطیسی و پرتو‌های با دقت هم‌تراز شده، موفق شدند بیش از یک میلیون اتم را به دام بیندازند و دمای آنها را تا ۲۵۰ میکروکلوین (حدود -۴۶۰ درجه فارنهایت) کاهش دهند. بلومنتال گفت: «اتم‌های سردتر به علاوه اتم‌های بیشتر، دقت بهتر و حساسیت بیشتری را به همراه دارد. به این دلیل است که شما میانگین اندازه‌گیری را روی حسگرهای بیشتری محاسبه می‌کنید.
سپس در سال ۲۰۲۴، آنها به یک مشکل مهم دیگر، یعنی لیزر‌های پر سر و صدا، پرداختند. بسیاری از لیزر‌های تجاری دارای پهنای خط پهن و ناپایدار هستند که آنها را برای دقت کوانتومی نامناسب می‌کند. محققان یک لیزر ۷۸۰ نانومتری با پهنای خط بسیار کم و خودتزریقی قفل‌شده توسعه دادند که روی تراشه نیترید سیلیکون آنها ادغام شده بود.
آنها با شروع از یک لیزر دیودی معمولی فابری-پرو، نویز را با استفاده از تشدیدگر‌ها و موجبر‌های باکیفیت حذف کردند و نوری پایدار و تک فرکانس تولید کردند که برای حسگری و محاسبات کوانتومی ایده‌آل است. این لیزر مبتنی بر تراشه نه تنها با سیستم‌های آزمایشگاهی مرسوم رقابت می‌کرد، بلکه از برخی جهات عملکرد بهتری نیز داشت - بازخورد سریع‌تر، نویز کمتر و پایداری بیشتری ارائه می‌داد.
تحقیقات تمام نشده است
با استفاده از لیزرها، انتقال پرتو و کنترل نوری که اکنون روی تراشه‌ها کار می‌کنند، محققان به تکثیر کل یک میز نوری به شکل مینیاتوری نزدیک شده‌اند. آنها حتی رویکرد خود را به یون‌های به دام افتاده، پلتفرم دیگری برای رایانه‌های کوانتومی، که در آن فقط به چند اتم نیاز است، گسترش داده‌اند.
آنها اخیراً در همکاری با دانشگاه ماساچوست امهرست، از لیزر‌های یکپارچه برای اولین بار برای ایجاد کیوبیت‌های مبتنی بر یون استفاده کردند. این گامی بزرگ به سوی پردازنده‌های کوانتومی فشرده است.
پیامدهای این تحقیق بسیار گسترده است. برای مثال، سیستم‌های اتم سرد قابل حمل می‌توانند بدون GPS ناوبری را فراهم کنند، ساختار‌های زیرزمینی را شناسایی کنند، تغییرات اقلیمی را با جزئیات بی‌سابقه‌ای رصد کنند و حتی ماموریت‌های فضایی را قادر سازند تا گرانش را آزمایش کرده و ذرات جدید را جست‌و‌جو کنند.
علاوه بر این، کامپیوتر‌های کوانتومی ساخته شده از این سیستم‌های کوچک می‌توانند سریع‌تر و با هزینه کمتر مقیاس‌پذیر شوند.
با این حال، در حالی که یون‌های به دام افتاده در حال حاضر روی تراشه‌ها آورده می‌شوند، کوچک‌سازی سایر اجزا (سلول خلاء، سخت‌افزار به دام انداختن و منبع اتم) که به تعداد زیادی اتم نیاز دارند، هنوز دشوارتر است. این تیم به طور فعال روی این مشکل کار می‌کند.
آنها امیدوارند در سال‌های آینده همه این عناصر را در دستگاهی به اندازه کف دست ترکیب کنند که بتواند کاری را انجام دهد که زمانی به یک آزمایشگاه کامل نیاز داشت.
