การหายใจ

นักวิจัยยังได้พัฒนาอุปกรณ์ที่สามารถใช้เป็นตัวสร้างประเภทใหม่สำหรับเทคโนโลยีควอนตัม ซึ่งคาดว่าจะมีการใช้งานในอนาคตมากมายในสาขาต่างๆ เช่น การคำนวณ การสื่อสาร และการพัฒนาเซนเซอร์ นักวิจัยได้เผยแพร่ผลการวิจัยเหล่านี้ในวันที่ 1 มิถุนายนในNature Nanotechnology "นี่คือแพลตฟอร์มขนาดอะตอมแบบใหม่ โดยใช้สิ่งที่ชุมชนวิทยาศาสตร์เรียกว่า 'ออปโตเมคานิกส์' ซึ่งการเคลื่อนที่ของแสงและเชิงกลควบคู่กันไปอย่างแนบแน่น" ผู้เขียนอาวุโส Mo Li ศาสตราจารย์ UW จากทั้งวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์และฟิสิกส์กล่าว . "มันให้เอฟเฟกต์ควอนตัมรูปแบบใหม่ที่สามารถใช้เพื่อควบคุมโฟตอนเดี่ยวที่วิ่งผ่านวงจรออปติคัลแบบรวมสำหรับแอพพลิเคชั่นมากมาย" ก่อนหน้านี้ ทีมงานได้ศึกษา quasiparticle ระดับควอนตัมที่เรียกว่า "exciton" ข้อมูลสามารถเข้ารหัสเป็น exciton แล้วปล่อยออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคพลังงานขนาดเล็กที่ถือเป็นหน่วยควอนตัมของแสง คุณสมบัติทางควอนตัมของโฟตอนที่ปล่อยออกมา เช่น โพลาไรเซชันของโฟตอน ความยาวคลื่น และ/หรือจังหวะการปล่อย สามารถทำหน้าที่เป็นข้อมูลควอนตัมบิต หรือ "คิวบิต" สำหรับการคำนวณและการสื่อสารแบบควอนตัม และเนื่องจากคิวบิตนี้ถูกนำพาโดยโฟตอน มันจึงเดินทางด้วยความเร็วแสง Adina Ripin นักศึกษาปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ของ UW กล่าวว่า "มุมมองจากมุมสูงของงานวิจัยนี้คือเพื่อให้เครือข่ายควอนตัมเป็นไปได้ เราจำเป็นต้องมีวิธีการสร้าง ดำเนินการ จัดเก็บ และส่งสัญญาณคิวบิตได้อย่างน่าเชื่อถือ" "โฟตอนเป็นทางเลือกตามธรรมชาติสำหรับการส่งข้อมูลควอนตัมนี้ เนื่องจากใยแก้วนำแสงช่วยให้เราสามารถขนส่งโฟตอนในระยะทางไกลด้วยความเร็วสูง โดยมีการสูญเสียพลังงานหรือข้อมูลต่ำ" นักวิจัยกำลังทำงานร่วมกับ excitons เพื่อสร้างโฟตอน emitter หรือ "quantum emitter" ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีควอนตัมที่ใช้แสงและออปติก ในการทำเช่นนี้ ทีมงานได้วางอะตอมของทังสเตนและซีลีเนียมบางๆ สองชั้น ซึ่งเรียกว่าทังสเตนไดเซเลไนด์ ไว้ทับกัน เมื่อนักวิจัยใช้แสงเลเซอร์ที่แม่นยำ พวกเขาเคาะอิเล็กตรอนของอะตอมของทังสเตนไดเซเลไนด์ออกจากนิวเคลียส การหายใจ ซึ่งทำให้เกิด exciton quasiparticle แต่ละ exciton ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบบนชั้นหนึ่งของทังสเตนไดเซเลไนด์และรูที่มีประจุบวกซึ่งอิเล็กตรอนเคยอยู่บนชั้นอื่นๆ และเนื่องจากประจุตรงข้ามดึงดูดกัน อิเล็กตรอนและโฮลในแต่ละเอ็กไซตอนจึงถูกยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันอย่างแน่นหนา หลังจากผ่านไปครู่หนึ่ง เมื่ออิเล็กตรอนหลุดกลับเข้าไปในรูที่มันเคยครอบครอง Exciton ก็ปล่อยโฟตอนเดียวที่เข้ารหัสด้วยข้อมูลควอนตัม ทำให้เกิดตัวปล่อยควอนตัมที่ทีมต้องการสร้างขึ้น แต่ทีมค้นพบว่าอะตอมของทังสเตนไดเซเลไนด์กำลังปล่อยอนุภาคควอซิพีอีกประเภทหนึ่งออกมา ซึ่งเรียกว่าโฟนอน โฟนอนเป็นผลจากการสั่นสะเทือนของอะตอม ซึ่งคล้ายกับการหายใจ ที่นี่ ชั้นอะตอมทั้งสองของทังสเตนไดเซเลไนด์ทำหน้าที่เหมือนดรัมเฮดขนาดเล็กที่สั่นสะเทือนซึ่งสัมพันธ์กัน ซึ่งสร้างโฟนัน นี่เป็นครั้งแรกที่เคยพบโฟตอนในตัวปล่อยโฟตอนเดียวในระบบอะตอมสองมิติประเภทนี้ เมื่อนักวิจัยวัดสเปกตรัมของแสงที่ปล่อยออกมา พวกเขาสังเกตเห็นยอดที่มีระยะห่างเท่าๆ กันหลายยอด ทุก ๆ โฟตอนที่ปล่อยออกมาจาก exciton นั้นมีหนึ่งโฟตอนหรือมากกว่านั้น สิ่งนี้ค่อนข้างคล้ายกับการปีนบันไดพลังงานควอนตัมทีละขั้น และในสเปกตรัม พลังงานแหลมเหล่านี้ถูกแสดงด้วยสายตาโดยยอดเขาที่มีระยะห่างเท่าๆ กัน "โฟนอนคือการสั่นสะเทือนทางควอนตัมตามธรรมชาติของวัสดุทังสเตนไดเซเลไนด์ และมีผลในการยืดคู่อิเล็กตรอน-หลุม exciton ซึ่งอยู่ในชั้นทั้งสองให้ยืดออกในแนวตั้ง" หลี่ ซึ่งเป็นสมาชิกของคณะกรรมการกำกับสำหรับ QuantumX ของ UW และเป็นคณาจารย์ของ Institute for Nano-Engineered Systems "สิ่งนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแสงของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจาก exciton ซึ่งไม่เคยมีรายงานมาก่อน" นักวิจัยอยากรู้ว่าพวกเขาสามารถใช้ประโยชน์จากโฟนันสำหรับเทคโนโลยีควอนตัมได้หรือไม่ พวกเขาใช้แรงดันไฟฟ้าและเห็นว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนแปลงพลังงานปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนที่เกี่ยวข้องและปล่อยออกมาได้ ความผันแปรเหล่านี้สามารถวัดและควบคุมได้ด้วยวิธีที่เกี่ยวข้องกับการเข้ารหัสข้อมูลควอนตัมเป็นการปล่อยโฟตอนเดียว และทั้งหมดนี้สำเร็จในระบบรวมระบบเดียว ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับอะตอมเพียงเล็กน้อย ต่อไป ทีมงานวางแผนที่จะสร้างท่อนำคลื่น ซึ่งเป็นเส้นใยบนชิปที่ดักจับการปล่อยโฟตอนเดี่ยวและนำทางไปยังที่ที่ต้องการ จากนั้นขยายขนาดระบบ แทนที่จะควบคุมตัวปล่อยควอนตัมเพียงตัวเดียวในแต่ละครั้ง ทีมงานต้องการควบคุมตัวปล่อยหลายตัวและสถานะโฟนันที่เกี่ยวข้อง สิ่งนี้จะช่วยให้ตัวปล่อยควอนตัมสามารถ "พูดคุย" ซึ่งกันและกัน ซึ่งเป็นขั้นตอนสู่การสร้างฐานที่มั่นคงสำหรับวงจรควอนตัม "เป้าหมายที่ครอบคลุมของเราคือการสร้างระบบบูรณาการที่มีตัวปล่อยควอนตัมที่สามารถใช้โฟตอนเดี่ยวที่วิ่งผ่านวงจรแสงและโฟตอนที่เพิ่งค้นพบเพื่อทำควอนตัมคอมพิวเตอร์และการตรวจจับควอนตัม" หลี่กล่าว "ความก้าวหน้านี้จะนำไปสู่ความพยายามดังกล่าวอย่างแน่นอน และช่วยในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อไป ซึ่งในอนาคตจะมีแอปพลิเคชันมากมาย"