عکس خرید فروش

تنظیم دقیق رفتار نقاط کوانتومی با استفاده از لیزرها

  

اخیراً محققانی از مؤسسة ملی استانداردها و فناوری (NIST) و مؤسسة کوانتومی جوینت(Joint Quantum Institute or JQI)، راهی جدید برای تنظیم دقیق نورِ منتشرشده از نقاط کوانتومی یافته‌اند. این کشف که در آن از یک جفت لیزر استفاده می‌شود، می‌تواند از نقاط کوانتومی، چشمه‌‌هایی بسازد که جفت‌هایی از فوتونِ �هم‌بسته� تولید می‌کنند. چنین چشمه‌هایی در فناوری‌های اطلاعات کوانتومی کاربردهای مهمی دارند و در صورت کامل‌ شدنِ مراحل ساخت، می‌توان با استفاده از آن توسعة کاربردهای رمزنویسی پیشرفتة قدرتمند را تسریع کرد.
فوتون‌های هم‌بسته، یکی از نتایج شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی هستند. این فوتون‌ها حتی اگر به میزان زیادی از یکدیگر دور شوند ارتباط بین خود را حفظ می‌کنند. هم‌بستگی به این معناست که مشاهدة یکی از این دو فوتون بلافاصله بر روی خصوصیات فوتونِ دوم تأثیر می‌گذارد. از این خصوصیت می‌توان در ارتباطات کوانتومی و در انتقال یک کلید رمزی با ماهیتی کاملاً محرمانه، بهره گرفت. در چنین کاربردی می‌توان هرگونه استراق ‌سمع و یا نفوذ در شبکه را بلافاصله آشکار ساخت. یکی از اهداف این گروه، توسعه و اصلاح نقاط کوانتومی به‌منظور ساخت چشمه‌ای مناسب برای تابش فوتون‌های هم‌بسته است.
نقاط کوانتومی با اینکه از ده‌ها هزار اتم ساخته شده‌اند؛ اما در بسیاری از موارد تقریباً همانند یک ذرة تک‌اتمی رفتار می‌کنند. البته برای کاربردهای ظریفِ رمزنگاری کوانتومی و در نسل جدید فناوری‌های اطلاعات، به ضریب‌ اطمینان بیشتری نیاز است. با انرژی دادن به یک نقطة کوانتومی، همانند یک اتم منفرد، فوتون تابش می‌کند؛ اما عیوبی که در شکل یک نقطة کوانتومی وجود دارد باعث می‌شود که ترازهای انرژی‌ای که باید با یکدیگر همپوشانی داشته باشند، از یکدیگر جدا شوند. این امر، توازن دقیقی که برای تابش فوتون‌های هم‌بسته لازم است، را برهم می‌زند.
محققان مذکور برای حل این مشکل، از لیزرها استفاده کرده و به کمک آنها ترازهای انرژی نقاط کوانتومی را به دقت کنترل کردند. این راهکار دقیقاً مشابه با راهکاری است که فیزیک‌دانان در اواسط دهة ۱۹۷۰ در مورد اتم‌های منفرد استفاده کردند. این گروه به کمک دو لیزر(یکی برای تابش بر روی نقطة کوانتومی از بالا، و دیگری برای تابش از پهلو) توانستند حالت‌های انرژی را در یک نقطة کوانتومی تغییر داده، تابشِ نقطة مورد نظر را مستقیماً اندازه‌گیری کنند. آنها از طریق تنظیم شدت پرتوهای لیزر توانستند تغییراتِ ایجادشده به‌وسیلة عیوب را اصلاح و سیگنال‌های ایده‌آل‌تری را تولید کنند. به این ترتیب، این گروه برای نخستین بار نشان دادند که نقاط کوانتومی تنظیم‌شده با لیزر می‌توانند به شکل مؤثری فوتون‌ها را به‌صورت تک‌تک و یکی پس از دیگری تولید کنند (رمزنویسی کوانتومی و سایر کاربردها به این ویژگی نیازمندند).
ابزاری که این گروه ساخته‌اند، آنچنان کوچک و فشرده است که در کف دست جای می‌گیرد؛ البته هم‌اکنون برای استفاده از این ابزار به دماهای بسیار پایین نیاز است و باید آن را در یک ظرفِ هلیومِ مایع قرار داد. ظاهر فشردة این ابزار، برای کاربردهای رمزنگاری کوانتومی یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود.
نتایج این تحقیق در نشریة Physical Review Letters به چاپ رسیده‌است

 

کنترل رفتار نقاط کوانتومی توسط لیزرهای دوگانه

 محققان مرکز ملی استاندارد و فناوری (NIST) و موسسه مشترک کوانتوم (JQI) (یک مرکز مشترک از دانشگاه مریلند و NIST) روش جدیدی برای تنظیم دقیق نور ساطع شده از یک نقطه کوانتومی با دستکاری آنها با یک جفت لیزر توسعه داده‌اند.

این روش که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، می‌تواند به میزان زیادی نقاط کوانتومی را به عنوان منبع جفت‌فوتون �گیرافتاده� توسعه دهد؛ این ویژگی کاربردهای مهمی در فناوری‌های اطلاعاتی دارد.

این کار می‌تواند توسعه کاربردهای رمزنویسی قدرتمند و پیشرفته را که پیش‌بینی می‌شود یکی از فناوری‌های کلیدی قرن ۲۱ باشد، شتاب بخشد.

فوتون‌های گیرافتاده نتیجه خاص مکانیک کوانتوم است. این فوتون‌ها که تولید آنها بسیار مشکل است، حتی زمانی که از هم فاصله زیادی پیدا می‌کنند، به نحوی باهم متصل باقی می‌مانند. فقط مشاهده لحظه‌ای یکی از آنها، بر ویژگی‌های دیگری تأثیر می‌گذارد. این ارتباط می‌تواند در ارتباطات کوانتومی برای انتقال یک کلید رمزی که به طور طبیعی کاملاً سری است، مورد استفاده قرار گیرد. هرگونه تلاشی برای استراق سمع موجب از بین رفتن فوری این کلید رمزی می‌شود.

یکی از هدف‌های این گروه تحقیقاتی توسعه نقاط کوانتومی به عنوان منبع آسانی برای تولید فوتون‌های گیرافتاده است.

نقاط کوانتومی نواحی نانومقیاسی از یک ماده نیمه‌هادی، شبیه ماده مورد استفاده در پردازنده‌های رایانه هستند، اما به دلیل ابعادشان، ویژگی‌های خاصی دارند. با وجودی که این نقاط می‌توانند از ده‌ها هزار اتم تشکیل شوند، اما به نحوی رفتار می‌کنند که گویی یک اتم منفرد هستند. متأسفانه این نقاط کوانتومی در دنیای شکننده رمزنگاری و نسل بعدی فناوری‌های اطلاعاتی به اندازه کافی خوب نیستند. زمانی که انرژی به این نقاط کوانتومی داده شود، درست همانند یک اتم تنها، از خود فوتون یا ذرات نور منتشر می‌کنند. اما نواقص موجود در شکل یک نقطه کوانتومی موجب جدا شدن سطوح انرژی می‌شود که باید همپوشانی نمایند. این امر تعادل ظریف مورد نیاز برای نشر فوتون‌های گیرافتاده را برهم می‌زند.

گروه تحقیقاتی NIST-JQI برای غلبه بر این مشکل از لیزرهایی برای کنترل دقیق سطح انرژی نقاط کوانتومی استفاده می‌کند، همانگونه که فیزیکدان‌ها از اواسط دهه ۸۰ برای کنترل سطح انرژی اتم‌های منفرد از این روش استفاده کرده‌اند. این محققان با استفاده از دو تابش لیزری که یکی درست در بالای نقطه کوانتومی قرار گرفته و دومی از کنار به آن می‌تابد، توانستند حالت‌های انرژی را در یک نقطه کوانتومی به صورت دقیق کنترل کرده و نشر آن را اندازه بگیرند.

با تنظیم شدت تابش‌های لیزری آنها توانستند تغییرات ناشی از نواقص را تصحیح نموده و سیگنال‌های بسیار ایده‌آل‌تری تولید نمایند.

این تیم تحقیقاتی اولین گروهی است که ثابت کرده است نقاط کوانتومی تنظیم شده با لیزر می‌توانند به طور موثری فوتون‌ها را یکی یکی تولید نمایند، همانگونه که برای رمزنگاری و کاربردهای دیگر لازم است.
 

 

حل مشکل�چشمک زدن� نقاط کوانتومی

به‌تازگی محققان مؤسسه JILA با شستشوی نقاط کوانتومی در یک محلول شیمیایی توانستند مشکل چشمک زدن این نقاط را حل کنند. این کشف می‌تواند سودمندی این نقاط را در کاربردهایی، مانند آزمایش‌های زیست پزشکی و رمزنگاری(cryptography) کوانتومی افزایش دهد.
نقاط کوانتومی موجب ایجاد فرصت‌های جدیدی در تحقیقات زیست پزشکی و رمزنگاری، و سایر زمینه‌ها شده‌اند؛ اما این نانوبلورهای نیمه‌رسانا یک مشکل مرموز دارند؛ این نقاط دارای چشمک‌هایی با اندازه زمانی چند میلیونیوم ثانیه تا ده‌ها ثانیه، و یا حتی بیشتر هستند که این مسئله از سودمندی این نقاط می‌کاهد.
دیوید نسبیت، یکی از اعضای JILA، اظهار داشت که گروه JILA توانست از طریق شستشوی این نقاط در یک محلول آبی متشکل از یک ماده شیمیایی آنتی‌اکسیدان، میزان نرخ تابش فوتون را چهار تا پنج برابر افزایش دهد که یک نتیجه خیره‌کننده به شمار می‌رود.
دانشمندان JILA توانستند به‌ طرز چشمگیری زمان تأخیر میانگین بین برانگیختگی یک نقطه کوانتومی و تابش فوتون به دست‌آمده را از ۲۱ نانوثانیه به چهار نانوثانیه کاهش دهند و احتمال چشمک زدن را تا صد برابر کمتر کنند. نقاط کوانتومی مورد استفادة این گروه، هسته‌های کادمیوم-سلنید پوشش داده شده با سولفید روی با اندازه چهار نانومتر است.
زمانی که یک نقطه با یک پالس لیزر برانگیخته می‌شود، الکترونی از حفره‌ای که در حالت معمول در آن قرار دارد، جدا می‌شود. چند نانوثانیه بعد، این الکترون به داخل حفره برگشته و یک فوتون(که در آزمایش مذکور زرد بود) تابش می‌کند؛ اما هر چند وقت یک بار، الکترون برانگیخته به مکان قبلی خود برنمی‌گردد و به عیوب سطحی نقطه می رود. ماده شیمیایی اضافه‌شده به‌وسیلة JILA عیوب سطحی را حذف کرده، به این ترتیب مانع از چشمک زدن نقطه کوانتومی می‌شود.

 

 

iconبرای دانلود کلیک کنید

icon برچسب ها: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
  • نوشته: admin
  • تاریخ: ۱۸ خرداد ۱۳۸۹
  • دیدگاه‌ها خاموش