ارتعاشات ناخواسته، نقاط کوانتومی را برای برقراری رمزنگاری و ربط امن تحکیم می‌کنند_صبح سریع

پژوهشگران «دانشگاه بایروت»(University of Bayreuth) در بازدید تازه خود نشان داده‌اند که ابراز ارتعاشات در مواد جامد موسوم به «فونون‌ها»(Phonons) امکان پذیر کارکرد ساختارهای کوچکی به نام نقاط کوانتومی را به گفتن منبع های تک‌فوتونی افزایش دهد و با دقت به این که فونون‌ها طبق معمول به گفتن منبع های اختلال در سیستم‌های کوانتومی در نظر گرفته خواهد شد، یک پیچ‌وتاب شگفت‌آور را پدید آورند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، پژوهشگران دریافتند فونون‌ها می‌توانند ویژگی موسوم به «انسجام تعداد فوتون» را بهبود ببخشند که بر چگونگی نگه داری حرکت کوانتومی ظریف یک سیستم کوانتومی تأثیر می‌گذارد. «پل هاگن»(Paul Hagen) از پژوهشگران این پروژه او گفت: این معیار مشخص می کند که فوتون گسیل‌شده چه مقدار کوانتومی است.

این کشف به‌اختصاصی برای نقاط کوانتومی که منبع های تک‌فوتونی امیدوارکننده می باشند، اهمیت دارد. هاگن او گفت: نقاط کوانتومی، مشکلات منبع های تک‌فوتونی دیگر را ندارند. نقاط کوانتومی واقعا منبع های تک‌فوتونی می باشند و همان طور که فهمید شدیم، انسجام تعداد فوتون نوری تولیدشده توسط آنها را می‌توان با انتخاب پارامترهای گوناگون تحریک تا حد بسیاری تنظیم کرد.

یافته‌های این پژوهش می‌توانند راه را برای منبع های تک‌فوتونی زیاد تنظیم‌پذیر با کاربردهایی در ارتباطات کوانتومی، رمزنگاری و دیگر فناوری‌های در حال گسترش کوانتومی هموار کنند.

فناوری‌های کوانتومی به شدت در حال پیشرفت می باشند و کاربردهایی را از ارتباطات فوق ‌ایمن و محاسبات کوانتومی قوی گرفته تا حسگرها و سیستم‌های تصویربرداری زیاد دقیق شامل خواهد شد. این نوآوری‌ها می‌توانند انقلابی را در حوزه‌هایی همانند امنیت سایبری، کشف دارو، علم مواد و ناوبری تشکیل کنند.

در این بین، ارتباطات کوانتومی به علت توانایی خود در فعال کردن انتقال فوق امن داده با منفعت گیری از اصول مکانیک کوانتومی همانند توزیع کلید کوانتومی، نزدیک می باشند. با وجود این، کارکرد مناسب آنها به شدت به در دسترس بودن منبع های تک‌فوتونی قابل مطمعن بستگی دارد.

فوتون‌ها اطلاعات را به طور کیوبیت حمل می‌کنند که معادل کوانتومی بیت‌های کلاسیک است. بر خلاف بیت‌های کلاسیک که فقط می‌توانند ۰ یا ۱ باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند در یک برهم‌نهی از هر دو حالت به طور هم‌زمان وجود داشته باشند و رمزگذاری داده‌ها را پیچیده‌تر و امن‌تر ‌کنند.

توانایی منبع برای انتشار کردن دقیقا یک فوتون در یک زمان برای مطمعن از انتقال ایمن مطلب زیاد مهم است. بر پایه مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری حالت یک سیستم به ناچار آن را تحول می‌دهد. به این علت، اگر فقط یک فوتون گسیل شود، نمی‌توان آن را به طور نهان اندازه‌گیری کرد.

با وجود این، اگر چندین فوتون حامل اطلاعات یکسان به طور اتفاقی ساطع شوند، فقط می‌تواند یکی از آنها را رهگیری کند، چون این فوتون‌های اضافی به یک شکل به هم متصل نیستند. سپس، این فوتون‌های بی‌تأثیر بدون هیچ نشانه‌ای از دستکاری به طرف گیرنده می‌رسند و اجازه خواهند داد که امنیت نگه داری شود.

روی آوردن به نقاط کوانتومی به گفتن منبع های تک‌فوتونی

یافتن یک منبع تک‌فوتونی قابل مطمعن، چالش‌برانگیز است. یکی از گزینه‌های تشکیل آنها که توسط جامعه علمی مورد بازدید قرار گرفته، از طریق لیزر بوده است اما این چنین راه حلهایی با محدودیت‌های قابل توجهی همراه می باشند. به گفتن مثال، برای جلوگیری از انتشار کردن چند فوتون، لیزر باید با شدت زیاد کم کار کند و این کار، شدت انتقال اطلاعات را به شدت افت می‌دهد.

این چالش‌ها پژوهشگران را به کشف منبع های جانشین تک‌فوتونی سوق داده‌اند که در آنها نقاط کوانتومی به گفتن یکی از امیدوارکننده‌ترین گزینه‌ها ظاهر خواهد شد. این مواد نیمه‌رسانا که اندازه آنها تنها چند نانومتر است، به علت مقیاس کوچک خود ویژگی‌های نوری و الکترونیکی منحصربه‌فردی را نشان خواهند داد که اثرات کوانتومی در آنها نقش مهمی را بر مسئولیت دارند. هنگامی که نقاط کوانتومی با نور لیزر هدایت خواهد شد، می‌توانند دقیقا یک فوتون را در یک زمان ساطع کنند.

نقاط کوانتومی به علت تعامل با محیط اطراف به اختصاصی ارتعاشات شبکه کریستالی، زمان‌ها است که به گفتن منبع های تک‌فوتونی مشکل‌ساز در نظر گرفته خواهد شد. این ارتعاشات می‌توانند بر سطوح انرژی الکترون‌های درون اتم‌های راه اندازی‌دهنده نقطه کوانتومی تأثیر بگذارند و کنترل زمان، طول موج و تعداد فوتون‌های ساطع‌شده را مختل کنند که برای گسیل تک‌فوتونی قابل مطمعن زیاد مهم است.

پژوهش دانشگاه بایروت، این فرضیه را به چالش می‌کشد که تعامل بین نقاط کوانتومی و فونون‌ها همیشه برای انتشار کردن تک‌فوتونی قابل مطمعن، زیان اور است. پژوهشگران برای بازدید این نوشته، یک بازدید مکانیک کوانتومی مفصل را درمورد تعامل فونون‌ها با نقاط کوانتومی و تأثیر آنها بر ویژگی‌های فوتون ساطع‌شده انجام دادند.

پژوهشگران، تعامل های پیچیده بین نقاط کوانتومی و فونون‌ها را مورد بازدید قرار دادند و چگونگی تأثیر آنها را بر ویژگی فوتون‌های ساطع‌شده برسی کردند. آنها در کمال شگفتی دریافتند که تحت شرایط خاصی همانند شدت مناسب لیزر محرک، فونون‌ها می‌توانند انسجام تعداد فوتون را در نقطه کوانتومی افزایش دهند. انسجام تعداد فوتون، یک ویژگی کلیدی است که بر چگونگی نگه داری حرکت کوانتومی نور ساطع‌شده تأثیر می‌گذارد.

پژوهشگران برای رسیدن به این مقصد، بر راه حلهای عددی پیشرفته تکیه کردند و حتی الگوریتم ریاضی خود را گسترش دادند. تکمیل این فرآیند بیشتر از یک دهه طول کشید.

اگرچه این پژوهش نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل دقت است و ارتباطات کوانتومی قابل اعتمادتر را با مقدار بالاتری از انتقال اطلاعات نوید می‌دهد، اما تا این مدت چیزهای بسیاری برای کشف شدن باقی مانده‌اند. هاگن او گفت: بازدید انسجام تعداد فوتون در تک‌فوتون‌های ساطع‌شده از نقطه کوانتومی، یک حوزه تازه است و ما فقط مقدمات آن را فراهم کرده‌ایم.

پژوهش‌های آینده بر اصلاح مکانیسم‌هایی تمرکز خواهند کرد که به انتشار کردن تک‌فوتون در نقاط کوانتومی می‌انجامند و طراحی و محیط اطراف آنها را نیز بهبود می‌بخشند تا این فرآیند برای کاربردهای خاص، دقیق‌تر و قابل مطمعن‌تر شود.

این پژوهش در مجله «Advanced Quantum Technologies» به چاپ رسید.