مراكز ملونة متعددة القنوات في مصفوفة تجاويف فوتونية من السيليكون

ضوء يتحدث إلى وحدات الكم

بناء «إنترنت كمومي» مستقبلي سيتطلب أجهزة قادرة على تبادل معلومات كمومية هشة عبر مسافات طويلة باستخدام جسيمات من الضوء. تستكشف هذه الورقة طريقة جديدة لتجميع العديد من مصادر الضوء الكمومي الصغيرة على رقاقة سيليكون — نفس المادة المستخدمة في معالجات الحواسيب اليومية — بحيث يمكن الوصول إليها والتحكم بها جميعًا عبر وصلة بصرية واحدة.

عيوب دقيقة تتصرف مثل ذرات صناعية

داخل سيليكون نقي للغاية، يمكن لبعض العيوب المصنوعة بعناية، المعروفة باسم المراكز الملونة، أن تحجز إلكترونات مفردة وتنبعث منها فوتونات مفردة. النوع المحدد المدروس هنا، المعروف بمركز T، يضيء عند أطوال موجية مناسبة لشبكات الألياف البصرية اليوم ويمكنه تخزين المعلومات الكمومية في لفّة الإلكترون لفترات طويلة. هذا يجعل مراكز T مكونات جذابة لمكررات الكم — الأجهزة التي تطيل مدى الاتصال الكمومي. لكن كل مركز T ضعيف وبطيء في إصدار الضوء بمفرده، ما يجعل من الصعب بناء وصلات سريعة وفعالة.

مساعدة العيوب على اللمعان بتجاويف دقيقة

يعزّز الباحثون سطوع مراكز T بوضعها داخل تجاويف بصرية ميكروسكوبية — مناطق نانويّة البنية تحبس الضوء وتشجع العيب على إصدار الفوتونات بسرعة أكبر وفي اتجاه مفضل. تُرتّب هذه التجاويف في خط بجانب موجّه "حافلة" واحد، وهو مسار ضيق ينقل الضوء عبر الرقاقة. بدل الحاجة إلى وصلة منفصلة لكل تجويف، يمكن لمدخل ومخرج واحد أن يصل إلى كل التجاويف عبر هذه الحافلة المشتركة، مما يجعل النظام أسهل بكثير للتوسع.

برمجة مصادر ضوئية متعددة عبر قناة واحدة

لتحويل هذا الهيكل إلى منصة مرنة، طور الفريق طريقة لـ «ضبط» لون كل تجويف بعد التصنيع. يغطون الرقاقة بطبقة رقيقة من النيتروجين المجمد، ما يحول كل ألوان التجاويف إلى أطوال موجية أطول. ثم، عبر تسليط ضوء ليزري في الحافلة بتردد مناسب، يسخنون محليًا تجاويف مختارة فيتبخر النيتروجين هناك فقط، مما يدفع تلك التجاويف إلى أطوال موجية أقصر مرة أخرى. هذا يسمح لهم بضبط ألوان التجاويف بشكل فردي على امتداد المصفوفة. باستخدام هذا الأسلوب، يوافقون بين عدة تجاويف ومراكز T مختلفة ويعرضون أن عيبين منفصلين في مواقع مختلفة يمكن تعزيزهما وتشغيلهما بالتوازي عبر نفس الحافلة. عبر تبديل لون ليزر الدفع بسرعة، يجمعون في الزمن فوتونات مفردة من كلا المركزين في سيل إخراج واحد بينما يؤكدون أن كل واحد لا يزال يتصرف كمصدر فوتون أحادي عالي الجودة.

تجاويف تتعاون عن بعد

لأن كل التجاويف تشترك في نفس الحافلة، يمكنها أيضًا التفاعل مع بعضها البعض عبر الضوء الذي يتسرب إلى الموجّه وينعكس من مرآة نهائية. عندما يتم ضبط تجاويفين بالقرب من نفس اللون، تتغلغل أحاديتهما، مكونة أوضاعًا «مضيئة» و«مظلمة» مشتركة تمتد عبر الموقعين. يتصل الوضع المضيء بقوة مع الحافلة ويفقد الطاقة بسرعة، بينما يكون الوضع المظلم أكثر عزلة وأطول عمرًا. يقيس الفريق كيف تظهر هذه الأوضاع المهجنة في الانعكاس من الرقاقة ويستخدم نموذجًا تحليليًا لاستخراج قوى التبادل المتماسك للضوء بين التجاويف وفقدان الطاقة المشترك في الحافلة. بوضع مركز T واحد في أحد التجاويف المتبادلة، يظهرون أن زمن انبعاثه يتغير بطريقة دقيقة ومتوقعة عندما تتحرك الأوضاع المهجنة بالنسبة إلى لونه، مما يؤكد أن باعثًا واحدًا يمكن تعزيزه بواسطة وضع بصري متوسع يغطي تجويفين بعيدين.

طريق نحو شبكة كمومية قابلة للتوسع

أخيرًا، يناقش المؤلفون ما يلزم لتحويل هذا النوع من الأجهزة إلى لبنة بناء حقيقية لشبكات كمومية كبيرة. اليوم، يقتصر عدد مراكز T التي يمكن تشغيلها بالتوازي على مدى ضيق تعريف لون كل تجويف وعلى تباين ترددات مراكز T في المادة. يوضحون تحسينات واقعية — تجاويف أكثر حدة، ومصادر أنقى وموضوعة بدقة أكبر، وتحكم إضافي باستخدام الشد أو الحقول الكهربائية — التي قد تسمح بعشرات مراكز T لكل موجّه بالعمل في وقت واحد. مع تحسّن التداخل بين الضوء والمادة، قد تسمح هذه المصفوفات ليس فقط بإرسال فوتونات مفردة بكفاءة عبر وصلات ألياف طويلة، بل أيضًا بتوليد التشابك مباشرة بين العيوب على نفس الشريحة، مما يقرب رؤية معالجات كمومية معيارية قائمة على السيليكون ومكررات كمومية من الواقع.

الاستشهاد: Lukasz Komza, Xueyue Zhang, Hanbin Song, Yu-Lung Tang, Xin Wei, and Alp Sipahigil, "Multiplexed color centers in a silicon photonic cavity array," Optica 12, 1400-1405 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.564691

الكلمات المفتاحية: شبكات الكم, الفوتونيات السليكونية, مراكز ملونة, مصادر فوتون أحادي, أطوال موجية للاتصالات