Single-photon source may meet the needs of quantum communication systems

 

 شايد چشمه‌ي تک فوتوني نياز دستگاه‌هاي ارتباطات کوانتومي را تأمين کند

Single-photon source may meet the needs of quantum communication systems 

 اين نماد  تصويري ، جثه تک فوتون را نشان مي‌دهد. وقتي باريکه ليزر به ابر اتمي سرد برخورد کند يک برانگيختگي اسپين همراه با يک فوتون رامان توليد مي‌شود. اکنون تک برانگيختگي اسپين براي بازيافت به يک تک فوتون توسط ليزر ديگر آماده است. تصوير قسمت پايين در سمت راست جثه موج فوتو‌ن‌هاست.

یکي از بزرگ‌ترين چالش‌هاي سخت شبکه ارتباطات کوانتومي داشتن تک فوتون است که وجود آن براي اطمينان از امنيت و کارآيي دستگاه‌هاي کوانتومي ضروري است. با تأمين تک فوتون به مقدار کافي، دستگاه‌هاي ارتباطات کوانتومي مي‌توانند اطلاعات را با سرعت نزديک به سرعت نور، در مقايسه با سرعت الکترون (و مقاومت) در دستگاه‌هاي کلاسيک ارسال کنند.
 به علاوه رايانه‌هاي کوانتومي توانمند مي توانند مسائلي را حل کنند که براي رايانه‌هاي کنوني ناممکن است و رمزنگاري کوانتومي توان بالقوه‌ي تأمين امنيت براي اين دستگاه‌ها را دارد.

در طي چند سال اخير، دانشمندان با استفاده از ابزارهاي ابتکاري چون نقطه‌هاي کوانتومي، تک اتم‌ها و تک يون‌ها، مراکز رنگي، چشمه‌هاي تک فوتون را به وجود آورده‌اند. با اين همه، اين چشمه‌هاي بالقوه، داراي نقطه‌هاي ضعف به کار انداختن پيچيده يا توليد ناکافي هستد.
 اکنون دانشمنداني چون شوئاي چن  و همکاران با استفاده از حافظه کوانتومي اتمي، يک چشمه فوتون قابل کنترل را براي توليد و ذخيره‌سازي فوتون‌ها براي استفاده در زمان از پيش تعيين شده به وجود آورده‌اند. طبق گزارش آن‌ها در يک شماره‌ي اخير مجله "فيزيکال ريويو لترز"  اين چشمه‌ي تک فوتون براي تحقق بزرگ مقياس ارتباطات کوانتومي و محاسبات کوانتوم اپتيکي خطي در آينده مناسب است."
 "چشمه‌هاي تک فوتوني امنيت مطلق را در شبکه‌هاي ارتباطات کوانتومي تأمين مي‌کنند." به گفته ژن شنگ يوان  " ما در هنگام توسعه‌ي اين چشمه‌ي تک فوتوني، توجه خود را به چگونگي به دست آوردن زمان حافظه‌ي طولاني براي تک برانگيختگي‌ها در مجموعه اتمي و چگونگي تبديل اين تک برانگيختگي‌ها با کارآيي بالا به تک فوتون‌ها متمرکز ساختيم."
براي انجام اين کار، دانشمندان از پراکندگي رامان استفاده کردند، و تپ ليزري را بر مجموعه‌اي از اتم‌هاي روبيديم سرد تاباندند. با برخورد نور ليزر به اتم‌هاي سرد، تک برانگيختگي‌ها در مجموعه اتمي توليد مي‌شوند که مي‌توان آن‌ها را به تک فوتون تبديل کرد.
 آشکار سازي فوتون‌هاي تازه توليد شده مي‌تواند برانگيختگي‌هاي تک اسپيني در مجموعه اتمي سرد توليد کند، که حافظه کوانتومي را تشکيل مي‌دهد که از اين رو چنين ناميده مي‌شود که اطلاعات مبتني بر نور در ماده ذخيره مي‌شوند. برانگيختگي‌هاي تک اتمي اسپيني مي‌توانند به نوبه خود در زمان از پيش ‌تعيين شده به تک فوتون تبديل شوند. ترتيب آزمايشي چن و همکاران توانست 600 برانگيختگي تک اسپيني در ثانيه توليد کند که به معني 15 آشکار سازي تک فوتوني در ثانيه است.
 يکي از مهم‌ترين مزاياي اين حافظه کوانتومي مبتني بر چشمه تک فوتون توانايي افزايش تعداد تک فوتون‌هاي موجود است. به کمک مدار فيدبک، چن و همکاران، با همسوساختن ويژگي‌هاي آزمايش خود با مشخصات ليزر (مدفضايي، عرض نوار، شدت، بسامد) موفق به افزايش قابل ملاحظه آهنگ توليد تک فوتون‌ها شده‌اند. به گفته يوآن "بزرگ‌ترين امتياز در اين جا آن است که مي‌توان يک شبکه ارتباط کوانتومي با هزينه بسيار ‌کم‌تر ساخت."
 اصولاً نه برانگيختگي اسپين را مي‌توان تا 300 ميکروثانيه ذخيره و تک فوتون را در هر زمان توليد کرد. به واسطه مدار فيدبک، اين حافظه کوانتومي مبتني بر چشمه فوتون احتمالاً مي‌تواند تک فوتون کافي براي تعداد زيادي تکرار کننده‌ را تأمين کند که براي شبکه‌ها ارتباطات کوانتومي راه دور ضروري است.

ترجمه : منیژه رهبر 

مرجع