ارتعاشات ناخواسته، نقاط کوانتومی را برای برقراری رمزنگاری و ربط امن تقویت می‌کنند
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 می‌کند که فوتون گسیل‌شده چه مقدار کوانتومی است.
🔗 بیشتر بخوانید: دقت ترسناک پیش بینی های استیون هاوکینگ از سال ۲۰۲۵_آینده
این کشف به‌اختصاصی برای نقاط کوانتومی که منبع‌های تک‌فوتونی امیدوارکننده می‌باشند، اهمیت دارد. هاگن او گفت: نقاط کوانتومی، مشکلات منبع‌های تک‌فوتونی دیگر را ندارند. نقاط کوانتومی واقعا منبع‌های تک‌فوتونی می‌باشند و همان‌طور که فهمیدیم، 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 منبع‌های تک‌فوتونی زیاد تنظیم‌پذیر با کاربردهایی در ارتباطات کوانتومی، رمزنگاری و دیگر فناوری‌های در حال گسترش کوانتومی هموار کنند.
🔗 بیشتر بخوانید: کشف کرمی که طلا می‌سازد!_آینده
فناوری‌های کوانتومی به شدت در حال پیشرفت هستند و کاربردهایی را از ارتباطات فوق‌ایمن 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 دهند.
در این بین، ارتباطات کوانتومی به دلیل توانایی خود در فعال کردن انتقال فوق‌امن داده با منفعت‌گیری از اصول مکانیک کوانتومی همانند توزیع کلید کوانتومی، نزدیک هستند. با وجود این، کارکرد مناسب آنها به شدت به در دسترس بودن منبع‌های تک‌فوتونی قابل اطمینان بستگی دارد.
🔗 بیشتر بخوانید: یک حسگر تازه برای شناسایی کردن مواد شیمیایی خطرناک در آب
فوتون‌ها اطلاعات را به‌طور کیوبیت حمل می‌کنند که معادل کوانتومی بیت‌های کلاسیک است. برعکس بیت‌های کلاسیک که فقط می‌توانند ۰ یا ۱ باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند در یک برهم‌نهی از هر دو حالت به‌طور هم‌زمان وجود داشته باشند و رمزگذاری داده‌ها را پیچیده‌تر و امن‌تر کنند.
توانایی منبع برای انتشار دقیق یک فوتون در یک زمان برای مطمئن شدن از انتقال ایمن بسیار مهم است. بر پایهٔ مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری حالت یک سیستم به‌نaturally آن را تغییر می‌دهد. به این دلیل، اگر فقط یک فوتون گسیل شود، نمی‌توان آن را به‌طرق نهان اندازه‌گیری کرد.
با این حال، اگر چندین فوتون حامل اطلاعات یکسان به‌طور اتفاقی ساطع شوند، فقط می‌توان یکی از آنها را رهگیری کرد، 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 می‌دهند که امنیت نگه داشته شود.
استفاده از نقاط کوانتومی به‌عنوان منبع تک‌فوتونی
یافتن یک منبع تک‌فوتونی قابل اطمینان، چالش‌برانگیز است. یکی از گزینه‌های构成 آنها که توسط جامعه علمی مورد بررسی قرار گرفته، از طریق لیزر است اما این راه‌حل‌ها با محدودیت‌های قابل‌توجه همراه می‌باشند. به‌عنوان مثال، برای جلوگیری از انتشار چند فوتون، لیزر باید با شدت بسیار کم کار کند و این کار، شدت انتقال اطلاعات را به شدت کاهش می‌دهد.
این چالش‌ها پژوهشگران را به کشف منابع جانشین تک‌فوتونی سوق داده‌اند که در آنها نقاط کوانتومی به‌عنوان یکی از گزینه‌های امیدوارکننده ظاهر می‌شوند. این مواد نیمه‌رساند که اندازه آنها تنها چند نانومتر است، به‌دلیل مقیاس کوچک خود ویژگی‌های نوری و الکترونیکی منحصربه‌فردی را نشان می‌دهند که اثرات کوانتومی در آنها نقشی مهم بر عهده دارند. هنگامی که نقاط کوانتومی با نور لیزر هدایت شوند، می‌توانند دقیقاً یک فوتون را در یک زمان ساطع کنند.
نقاط کوانتومی به‌دلیل تعامل با محیط اطراف، به‌اختیاری ارتعاشات شبکه کریستالی، زمان‌ها هستند که به‌عنوان مشکل‌ساز برای منبع‌های تک‌فوتونی در نظر گرفته می‌شوند. این ارتعاشات می‌توانند بر سطوح انرژی الکترون‌های داخل اتم‌های راه‌اندازنده نقطه کوانتومی تأثیر بگذارند و کنترل زمان، طول موج و تعداد فوتون‌های ساطع‌شده را مختل کنند که برای گسیل تک‌فوتونی قابل اطمینان بسیار مهم است.
پژوهشگاه بایروت این فرضیه را به چالش می‌کشد که تعامل بین نقاط کوانتومی و فونون‌ها همیشه برای انتشار تک‌فوتونی قابل اطمینان، زیان‌ور است. پژوهشگران برای بازدید این مسئله، یک بازدید مکانیک کوانتومی مفصل را در مورد تعامل فونون‌ها با نقاط کوانتومی و تأثیر آنها بر ویژگی‌های فوتون ساطع‌شده انجام دادند.
پژوهشگران، تعامل‌های پیچیده بین نقاط کوانتومی و فونون‌ها را مورد بازدید قرار دادند و چگونگی تأثیر آنها بر ویژگی فوتون‌های ساطع‌شده را بررسی کردند. آنها بهpletely شگفت‌زده 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 نگه‌داری حرکت کوانتومی نور ساطع‌شده تأثیر می‌گذارد.
پژوهشگران برای رسیدن به این هدف، به راه‌حل‌های عددی پیشرفته تکیه کردند و حتی الگوریتم ریاضی خود را گسترش دادند. تکمیل این فرآیند بیش از یک دهده طول کشید.
اگرچه این پژوهش نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل‌توجه است و ارتباطات کوانتومی قابل‌اعتمادتر را با مقدار بالاتری از انتقال اطلاعات نوید می‌دهد، اما تا این لحظه چیزهای بسیاری برای کشف باقی مانده‌اند. هاگن گفت: بازدیدانسجام 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 تک‌فوتون در نقاط کوانتومی انجام می‌شود و طراحی و محیط اطراف آنها را نیز بهبود می‌بخSHند تا این فرآیند برای کاربردهای خاص، دقیق‌تر و قابل‌اطمینان‌تر شود.
این پژوهش در مجله «Advanced Quantum Technologies» به چاپ رسید.