راز ذخیره نور کوانتومی برای اولین بار آشکار شد_صبح سریع

حافظه کوانتومی یا ذخیره‌سازی نور کوانتومی، تکنیکی است که فیزیکدانان بیشتر از دو دهه است برای تحقق آن در سیستم‌های گوناگون ماده تلاش می‌کنند. این روش امکان نگاشت کنترل‌شده و برگشت‌پذیر فوتون‌ها روی حالت‌های پایدار و طویل مدت ماده را فراهم می‌کند. اما ذخیره‌سازی نور برای بازه‌های وقتی طویل بدون افت بازده بازیابی آن، چالشی مهم است.

در سال‌های تازه، عناصر نادر خاکی در مواد جامد و در دمای پایین، به گفتن گزینه‌های امیدوارکننده‌ای برای حافظه کوانتومی شناخته شده‌اند. در این بین، تیم تحقیقاتی دانشگاه ایلینوی با تمرکز بر کریستال NaEu (IO۳) ۴ که حاوی اروپیم است، خواص مساعد را برای این کاربرد گزارش کرده‌اند.

الیزابت گلدشمیت، استاد فیزیک و نویسنده همکار مقاله، در این باره او گفت: حافظه‌های کلاسیک همانند آنچه برای ذخیره مطلب‌های متنی منفعت گیری می‌شود، نسبتاً ساده می باشند، اما اطلاعات کوانتومی را نمی‌توان به همین شکل ذخیره، کپی یا نگهداری کرد. اگر بخواهم یک بیت کوانتومی را ارسال کنم، نمی‌توانم از آن کپی بگیرم یا به طور محلی نگه دارم. بعد از ارسال، آن اطلاعات از دست می‌رود و اگر در مسیر گم شود، دیگر قابل بازیابی نیست.

یکی از راه‌حل‌ها منفعت گیری از عناصر نادر خاکی همانند اروپیم است که توانایی ذخیره‌سازی طویل مدت اطلاعات کوانتومی را دارد. فوتون‌ها زمان ذخیره طویل زمان طبق معمول تخریب خواهد شد، اما اروپیم قادر است فوتون‌ها را جذب و نگه داری کند.

دانشمندان طبق معمول این عناصر را به طور دوپ شده در کریستال‌ها داخل می‌کنند تا ذخیره‌سازی نور کوانتومی تسهیل شود. با این حال، کریستال‌های استوکیومتری یا بدون دوپینگ، به علت نداشتن ناخالصی به عمد، طبق معمولً دارای عیوب کمتری می باشند.

با دقت به این ویژگی مهندسان دانشگاه ایلینوی تلاش کردند تا کریستالی با بیشترین مقدار اروپیم، به طور ساختاری و نه به گفتن دوپانت پراکنده بسازند. آنها بعد از بازدید ادبیات علمی و برسی کریستال‌های گوناگون، به NaEu (IO۳) ۴ رسیدند؛ کریستالی لایه‌ای، پایدار در برابر شرایط محیطی و با پیوند‌های قوی که لایه‌های دوبعدی راه اندازی می‌دهد.

اگر بتوان یک لایه منفرد از NaEu (IO۳) ۴ را جدا کرد، این امکان وجود دارد که آن را با چیپ فوتونیکی یکپارچه کنند که گامی مهم در جهت ساخت حافظه کوانتومی با کارکرد بالا محسوب می‌شود. یقیناً حرکت اتم‌های اروپیم زمان نزدیک بودن بیشتر از حد به یکدیگر تحول می‌کند که این نوشته نیازمند شناسایی دقیق ویژگی‌های این ماده تازه و نوآورانه می بود. یکی دیگر از مزایای این ماده، افزایش زمان ذخیره‌سازی است.

گلدشمیت فرمود: حافظه کوانتومی با زمان ذخیره میلی‌ثانیه یا زیاد تر به ما این امکان را می‌دهد که حالت کوانتومی را برای زمان وقتی نگه داریم که برابر با زمان ملزوم برای ربط با هر نقطه فرد دیگر روی زمین است.

او گفت: حداکثر زمان ربط با نقاط دیگر طبق معمولً چند ده میکروثانیه تا میلی‌ثانیه است؛ برای مثالً ارسال سیگنال به ماهواره و برگشت آن یا از طریق فیبر نوری که کره زمین را دور می‌زند. این همان بازه وقتی است که ما مقصد قرار داده‌ایم.

تا کنون محققان دانشگاه ایلینوی موفق به ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی به زمان نزدیک به ۸۰۰ نانوثانیه شده‌اند و در آینده تصمیم دارند زمان ذخیره‌سازی را افزایش داده و یک لایه منفرد از کریستال استوکیومتری خود را جداسازی کنند تا گامی به سوی ساخت حافظه کوانتومی بردارند.

دنیل شو میکر، استاد علم و مهندسی مواد و مسئول رشد کریستال‌ها در این پروژه او گفت: سخت‌افزار‌های محاسباتی امروزی از همان کریستال‌ها و صفحات بلوری ساخته شده‌اند که در قرن قبل گسترش یافتند. ما نمی‌دانیم قرن آینده چه چیزی برای حافظه کوانتومی به همراه خواهد داشت، اما می‌دانیم که این فناوری‌ها مبتنی بر حرکت الکترون‌ها روی اتم‌ها و یون‌های منفرد خواهند می بود، همانند اروپیم حاضر در مواد ما. اکنون، در حال کشف نخستین مواد در این عرصه هستیم و این دوران زیاد شوق‌انگیزی است.

این یافته‌ها در مجله Physical Review Letters انتشار شده است و نویدبخش پیشرفت‌های دیدنی در حوزه فناوری‌های کوانتومی به اختصاصی حافظه‌های کوانتومی با زمان ذخیره طویل‌تر است.