الفوتونات المتشابكة هي أحصنة العمل في التقنيات الكمومية: فهي ضرورية للحوسبة الكمومية، والاتصالات الآمنة، والقياسات فائقة الحساسية. معظم المصادر الحديثة تتطلب ليزرًا خارجيًا ضخمًا للضخ البصري، مما يعيق التوسع. هذا العمل يقف بجانب الجهود الرامية إلى دمج المصادر على الرقائق: الجيران يستخدمون نيوبات الليثيوم الرقيقة والسيليكون ونيتريد السيليكون، لكن جميعهم تقريبًا يبقون مع ضخ خارجي. أول مصدر كامل على شريحة يعتمد على خلط أربع موجات تلقائي في نيتريد السيليكون كان خافتًا وضيق النطاق. عملنا يسد هذه الفجوة: ضخ كهربائي، وتشابك استقطابي، وسطوع قياسي في جهاز واحد.
قلب الجهاز هو التكامل الهجين لليزر الموزع براغ (DFB) عند 780 نانومتر ودائرة فوتونية على نيوبات الليثيوم الرقيقة (TFLN). الليزر موصول بتناكؤ مع دليل الموجة على الشريحة؛ تيار الضخ 40 ملي أمبير يعطي 7.5 ملي واط من القدرة الخارجة. ينقسم الضوء بواسطة مقياس تداخل متعدد الأوضاع (MMI) إلى قناتين، كل منهما تمر عبر دليل موجة من نيوبات الليثيوم مستقطب دوريًا (PPLN) بطول 6 مليمترات. هناك، في عملية التشتت البارامتري التلقائي (SPDC)، تولد أزواج فوتونات عند 1559 نانومتر. ثم يحول مُدور-جامع الاستقطاب (PRC) الأزواج المستقطبة أفقيًا من الدليل السفلي إلى أزواج مستقطبة رأسيًا ويجمعها مع القناة العلوية. النتيجة هي حالة من الشكل |ψ⟩ = α|$H_sH_i$⟩ + βe^{iφ}|$V_sV_i$⟩، والتي تصبح متشابكة إلى أقصى حد عندما تتساوى السعات. الضبط الحراري للشريحة حتى 67 درجة مئوية يطابق تطابق الطور مع طول موجة الليزر.
عند قدرة ضخ على الشريحة تبلغ 18.8 ميكرو واط، قيس سطوع 6.2×10⁸ زوج/ثانية/نانومتر/ملي واط، مما يعطي معدل توليد أزواج 4.5×10¹⁰ زوج/ثانية/ملي واط في نطاق 73 نانومتر. هذا أعلى بست مراتب من المصدر السابق المضخ كهربائيًا على نيتريد السيليكون، وأعرض بعشر مرات طيفيًا. التصوير المقطعي الكمومي للحالة في ثلاثة أزواج من القنوات الترددية (1584.53/1534.25 نانومتر، 1571.24/1546.92 نانومتر، 1567.95/1550.12 نانومتر) أظهر دقة حالة بيل 0.965 و0.971 و0.969 على التوالي. تم تأكيد انتهاك متباينة بيل برؤية أعلى من 0.97 في الأساسين الأفقي-الرأسي والقطري. الجهاز بحجم 15×20 مليمتر² يعمل في درجة حرارة الغرفة ويُغذى من بطارية محمولة.
يتميز هذا العمل عن غيره بأنه يجمع لأول مرة الضخ الكهربائي، والتشابك الاستقطابي دون انتقاء لاحق، والسطوع القياسي على منصة نيوبات الليثيوم الرقيقة. المصادر المتكاملة السابقة إما تطلبت ليزرًا خارجيًا، أو أعطت تشابكًا زمنيًا فقط، أو كانت أضعف بمراتب. هنا، يعيش الليزر والمادة غير الخطية على بلورة واحدة، ويُصنع مُدور-جامع الاستقطاب بنفس تقنية تصنيع أدلة الموجات. هذه خطوة نحو أنظمة كمومية مستقلة تمامًا على شريحة.
الحدود التالية هي التكامل الأحادي الكامل: نقل الليزر إلى نفس الشريحة عبر ربط الرقاقات أو النقل الدقيق، لإزالة الوصلة وزيادة كفاءة إدخال الضوء. بعد ذلك يمكن دمج المُعدِّلات والمرشحات والكاشفات على نفس منصة نيوبات الليثيوم، مما ينشئ شريحة كمومية "كل شيء في واحد". تعدد الإرسال بأطوال الموجات سيفتح الطريق لمصادر متعددة القنوات للشبكات الكمومية.
تؤثر هذه التقنية مباشرة على الاتصالات الكمومية: الخطوط الفضائية، وشبكات الألياف البصرية، والتوزيع الكمومي للمفاتيح. كما ستسرع تطوير أجهزة الاستشعار الكمومية وأدوات علم القياس.
تحسين هندسة مُدور الاستقطاب لتقليل الخسائر وزيادة تباين الاستقطاب. اختبار عمل المصدر في الظروف الميدانية مع تغذية بالبطارية.
في الفوتونيات الكمومية، تبقى مشكلة قابلية التوسع غير محلولة: كيف نزيد عدد الفوتونات المتشابكة دون نمو هائل في الخسائر وعدم الاستقرار. مصدرنا يحل جزءًا من المشكلة — الاكتناز والسطوع — لكن يبقى سؤال دمج الكاشفات والإلكترونيات التحكمية على نفس الشريحة مفتوحًا.
هذا القسم موجَّه إلى مؤلف العمل وزملائه. الأعمال المجاورة عثر عليها بحثٌ دلالي في أرشيفنا، لا بتطابق الكلمات. نحن لا نقيّم العمل: نعرض الحقل من حوله.
ماذا يفعل هذا العمل
يعرض العمل مصدرًا هجينًا للفوتونات المتشابكة على شريحة: ليزر DFB عند 780 نانومتر مدمج مع دارة فوتونية على نيتات الليثيوم الرقيقة. عند تيار ضخ 40 مللي أمبير، تم الحصول على سطوع قدره 4.5×10¹⁰ زوج/ثانية/ميلي واط في نطاق 73 نانومتر، ودقة حالة بيل تتجاوز 96% في عدة قنوات ترددية.
أين تكمن قوته
لأول مرة، تم الجمع بين الضخ الكهربائي، والتشابك الاستقطابي دون انتقاء لاحق، والسطوع القياسي على منصة نيتات الليثيوم الرقيقة، مما يفتح الطريق أمام أنظمة كمية مستقلة تمامًا على الشريحة.
إلى أين يمكن المضي
يستحق التجربة
لماذا قد يكون هذا مهمًا
يمكن لمصدر الفوتونات المتشابكة المتكامل بالكامل مع الضخ الكهربائي أن يصبح مكونًا رئيسيًا للاتصالات والحوسبة الكمومية القابلة للتوسع، مما يلغي الحاجة إلى ليزرات خارجية ويقلل من تعقيد الأنظمة.
أعمال قريبة في أرشيفنا
الأرشيف خالٍ حول هذا العمل: أقرب تحليل عند 0.57 فقط، مقابل 0.64 المعتادة. يبدو أن الحفر بجواره كان نادرًا.
عرض النطاق 73 نانومتر يعادل حوالي 9 تيراهرتز — وهو أعرض بآلاف المرات من أفضل مصادر الفوتون الواحد على النقاط الكمومية.