Araştırmacılar, kuantum sistemlerinde bilgi taşıyabilen mekanik titreşim paketleri olan fononları bölebilen çip tabanlı bir cihaz oluşturdular. Bir anahtar boşluğu doldurarak, bu cihaz çeşitli kuantum cihazları fononlar aracılığıyla bağlamaya yardımcı olabilir, gelişmiş bilgi işlem ve güvenli kuantum iletişiminin yolunu açabilir.
Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi’nden araştırma ekibi lideri Simon Gröblacher, “Fononlar, çok farklı kuantum sistemlerini birbirine bağlayan, hibrit ağları ve kuantum bilgilerini kompakt, ölçeklenebilir bir formatta işleme yollarını sağlayan çip üzerinde kuantum mesajları olarak hizmet edebilir.” Dedi.
“Pratik fononik devreler oluşturmak için, bireysel titreşim miktarını üretebilen, yönlendirebilen, bölünebilen, bölünebilen ve tespit edebilen tam bir çip tabanlı bileşenler seti gerektirir. Kaynaklar ve dalga kılavuzları zaten varken, kompakt bir ayırıcı hala eksikti.”
İçinde Optica kuantumAraştırmacılar, tek fononlar için kompakt, entegre dört portlu yönlü kuplörlerini tanımlar ve kontrol edilebilir bölünme ve kuantum düzeyinde performansı elde edebileceğini gösterir.
Gröblacher, “Cihazımız, kuantum bilgilerini daha uzun süre depolamak için iyi olan spin tabanlı sistemlerle, genellikle hızlı kuantum hesaplamaları için kullanılan süper iletken kupitleri bağlayan mikroskobik çip üstü yönlendiricileri ve bölücüleri etkinleştirebilir. Ayrıca çeşitli kuantum deneyleri veya son derece kompakt ultra duyarlı mekanik sensörler de mümkün olabilir.” Dedi.
Kuantum Sistemlerini Bağlamak
Kuantum teknolojisi daha hızlı bilgi işlem, daha güvenli iletişim ve yeni algılama türleri için büyük bir umut vaat etse de, farklı kuantum sistemleri genellikle birbirleriyle iyi etkileşime girmez.
Bunu ele almak için mühendisler, yüzey akustik dalgası olarak bilinen bir fonon türüne dayalı platformlar geliştirdiler. Bununla birlikte, yüksek kayıp ve mevcut çözeltilerin doğal olarak açık 2D yapısı nedeniyle sınırlı yayılma mesafesi, bu tür cihazları nispeten büyük hale getirerek pratik kullanımlarına bir engel oluşturmaktadır.
Yeni çalışmada, araştırmacılar fononik-kristal dalga kılavuzlarında seyahat eden yüksek sınırlı, yüksek frekanslı (GHz) fononlar kullanan bir çip tabanlı yönlü bir kuplör tasarladılar. Bu fononlar, iletişim kanalları arasındaki çapraz konuşmayı azaltma yetenekleri nedeniyle daha küçük, daha ölçeklenebilir çip içi cihazlara izin verir. Ayrıca, kuantum özellikleri bozulmadan önce karmaşık parazit ve yönlendirmeyi mümkün kılar.
Her cihaz silikon içine yerleştirilmiştir ve standart bir optik yönlü kuplör gibi dört bağlantı noktasına sahiptir – iki giriş, iki çıkış. Kriyojenik sıcaklıklarda, titreşimlerin ayrı, güvenilir kuantum bilgi birimleri olarak hareket etmesini sağlayan tek fonon kuantum durumları ile kullanılabilir.
Gröblacher, “Kuantum ‘posta yolunda’ bir kavşak gibi davrandığımız kuplör,” dedi Gröblacher. “Bir işlemcide oluşturulan bir uyarma, aynı çipteki başka bir işlemciye veya birden fazla alıcıya güvenilir bir şekilde gönderilebilir – daha esnek ve kompakt kuantum aygıtları ve ağları sağlayabilir.”
Entegre yönlü kuplörü oluşturmak için araştırmacılar, küçük kanallar boyunca titreşimleri yönlendirmek ve kontrollü bir şekilde karıştırabilecekleri bir bölgede bir araya getirmek için nano ölçekli yapıları silikon bir çip üzerine şekillendirdiler. Bunu başarmak, titreşimlerin solmadan uzun mesafeleri hareket ettirebilmesi için çok hassas bir imalat gerektiriyordu.
Fonon bölünmesini göstermek
Cihazın ilk testi olarak, araştırmacılar tutarlı bir fonon dalga paketindeki enerjinin zaman içinde ve birden fazla tur üzerinde iki çıkış boşluğu arasında nasıl bölündüğünü ölçtüler.
Bağlantı uzunluğunu değiştirerek, kontrol edilebilir bölme oranları elde edebildiler. Bu klasik testten sonra, bir fononun varlığını doğrulamak için bir fonon müjdeleme şeması kullandılar ve kuplörün tek fononlar için bir ışın ayırıcısı olarak davrandığını gösterdiler – mekanik hareket durumları.
Araştırmacılar şimdi kuplöre daha gelişmiş fononik bileşenler eklemek, kayıpları azaltmak ve cihazı interferometreler gibi daha karmaşık çok bileşenli cihazlara dahil etmek için imalat geliştirmek için çalışıyorlar. Laboratuarın ötesine geçmek için, bu cihazların mevcut kuantum bilgi işlem platformlarıyla entegre edilmesi gerekecektir.
Gröblacher, “Bir çip üzerinde tek fononları yönlendirme ve manipüle etme yeteneği, kuantum bilgilerinin farklı kuantum sistemleri arasında aktarılmasının ve hibrid kuantum sistemlerinin potansiyelini açmanın anahtarıdır.” Dedi.
“Yeni cihazın optik muadili modern bilimde olduğu kadar önemli olmasını bekliyoruz.”
