Yarı iletken bir halkadan oluşan yeni bir aygıt, fotonik bir kuantum işlemcide kullanılabilecek dolaşık foton çiftleri üretiyor.
Kuantum ışık kaynakları, kuantum hesaplama ve kriptografide kullanılabilecek dolaşık foton çiftleri yayar. Yeni bir deney, galyum nitrürün bir kuantum ışık kaynağı oluşturmak için kullanılabileceğini göstermiştir. Bu malzeme daha önce çip üstü lazerler, dedektörler ve dalga kılavuzları için kullanılmış olan çok yönlü bir üretim platformudur. Diğer optik bileşenlerle birleştirildiğinde, yeni kuantum ışık kaynağı, tek bir çip üzerinde fotonik kuantum işlemci gibi karmaşık bir kuantum devresinin oluşturulmasına olanak tanır.
Kuantum Optiği Nedir ve Gelişimi
Kuantum optiği hızla gelişen bir konudur ve birçok deneyde kuantum bilgisini taşımak ve kuantum hesaplamaları yapmak için fotonlar kullanılmaktadır. Ancak optik sistemlerin diğer kuantum bilgi teknolojileriyle rekabet edebilmesi için kuantum-optik cihazların masaüstünden mikroçip boyutuna indirgenmesi gerekiyor.
Bir silikon çip üzerinde kuantum ışık üretiminin yaratılması bu değişimde önemli bir adımdır. Birçok araştırma ekibi galyum alüminyum arsenit, indiyum fosfit ve silikon karbür gibi malzemelerle bu başarıyı elde etmiştir. Bununla birlikte, tam entegre bir fotonik devre, kuantum ışık kaynaklarına ek olarak çeşitli bileşenlere ihtiyaç duyacaktır.
Çinli bilim insanı Zhou ve meslektaşları, sonunda böyle eksiksiz bir devre geliştirmek amacıyla galyum nitrüre yöneldi. Bu malzeme, 2014 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandıran bir buluş olan ilk mavi LED’lerde kullanılmasıyla tanınıyor. Son araştırmalar safir üzerinde büyütülen galyum nitrürün ışıma, optik filtreleme ve tek foton algılama dahil olmak üzere çeşitli kuantum-optik uygulamalar için kullanılabileceğini göstermiştir. Zhou, “Galyum nitrür platformu, yakın gelecekte fotonik kuantum çiplerin geliştirilmesi için umut verici beklentiler sunuyor” dedi.
Zhou ve meslektaşları, safir bir alt tabaka üzerinde bir katman büyütüp içine 120 µm çapında bir halka aşındırarak bir galyum nitrür kuantum ışık kaynağı oluşturdular. Bu yapıdaki fotonlar, tıpkı ses dalgalarının fısıldayan bir galeride hareket edebildiği gibi halkanın etrafında hareket edebiliyor. Halkaya ek olarak, araştırmacılar kızılötesi lazer ışığını taşımak için bir dalga kılavuzu kazımışlardır. İki optik eleman arasındaki bağlantı sayesinde bazı lazer fotonları dalga kılavuzundan halkaya akabiliyor.
Deneyler sırasında bir dedektör, dalga kılavuzunun çıkış ışığının spektrumunu yakaladı ve çeşitli dalga boylarında ayrı düşüşler gösterdi. Bu düşüşler, bir fotonun dalga boyu halkanın çapı etrafında bir tam sayıya uyduğunda meydana gelen halka rezonanslarına karşılık geliyordu. Dalga kılavuzundaki rezonans fotonları halkaya girebilir ve orada sıkışabilir.
Bununla birlikte, dört dalga karışımı olarak bilinen bir süreç nedeniyle, halkaya giren rezonans foton çiftleri zaman zaman yok olabilir ve bu da dalga kılavuzundan ayrılan yeni bir rezonans foton çiftinin yaratılmasıyla sonuçlanabilir. Giden her çiftteki iki fotonun birbiriyle dolaşık olması beklenir.
Bu dolaşıklığı doğrulamak için bilim insanları, fotoğraflandığında bir girişim deseni (ışık ve siyah saçak şeritleri) üreten eşzamanlı foton çiftlerini ölçtüler.
Aydınlık ve karanlık saçaklar arasındaki kontrast olarak tanımlanan girişim seviyesi, foton dolaşıklığının bir ölçüsüdür. Zhou’ya göre galyum nitrür halka, diğer kuantum ışık kaynaklarınınkiyle karşılaştırılabilir bir dolaşıklık seviyesine ulaştı. “Galyum nitrürün, kuantum ışık üretiminin çok önemli olduğu fotonik kuantum bilgi için iyi bir kuantum malzeme platformu olduğunu gösteriyoruz” dedi.
Almanya’nın Darmstadt Teknik Üniversitesi’nden kuantum optik uzmanı Thomas Walther, “Kuantum optik son yıllarda muazzam bir hızla gelişti” diyor. Walther, ilerleme kaydedebilmek için küçük, sağlam, verimli ve üretimi oldukça basit bileşenlere ihtiyaç duyulacağına inanıyor. Bu amaçla Zhou ve meslektaşları galyum nitrürün pompa kaynakları, kuantum ışık kaynakları ve tek foton dedektörleri üretmek için potansiyel bir malzeme olduğunu gösterdi.
Tüm bu cihazlar için tek bir platforma sahip olmak, “bu tür sistemlerin üretim maliyetini düşürebileceği ve onları bugün olduğundan çok daha kompakt ve sağlam hale getirebileceği için ileriye doğru büyük bir adım teşkil edecektir” diyor.
