สิ่งประดิษฐ์ที่บางเฉียบสามารถทำให้เทคโนโลยีการประมวลผล การตรวจจับ และการเข้ารหัสในอนาคตมีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างน่าทึ่ง โดยช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ควบคุมปรากฏการณ์ที่แปลกประหลาดแต่มีประโยชน์ของกลศาสตร์ควอนตัม ตามการวิจัยใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science เมื่อเร็วๆ นี้
นักวิทยาศาสตร์จาก Sandia National Laboratories และ Max Planck Institute for the Science of Light ได้รายงานเกี่ยวกับอุปกรณ์ที่สามารถแทนที่อุปกรณ์จำนวนมากเพื่อเชื่อมโยงโฟตอนในเอฟเฟกต์ควอนตัมที่แปลกประหลาดที่เรียกว่าพัวพัน อุปกรณ์นี้ ซึ่งเป็นวัสดุวิศวกรรมระดับนาโนที่เรียกว่า metasurface เป็นการปูทางให้โฟตอนเข้าไปพัวพันในรูปแบบที่ซับซ้อน ซึ่งเทคโนโลยีขนาดกะทัดรัดไม่สามารถทำได้
เมื่อนักวิทยาศาสตร์บอกว่าโฟตอนถูกพันกัน พวกมันหมายความว่าพวกมันเชื่อมโยงกันในลักษณะที่การกระทำของตัวหนึ่งส่งผลต่ออีกตัวหนึ่ง ไม่ว่าโฟตอนจะอยู่ที่ใดหรือไกลแค่ไหนในจักรวาล มันเป็นผลของกลศาสตร์ควอนตัม กฎของฟิสิกส์ที่ควบคุมอนุภาคและสิ่งเล็กๆ น้อยๆ อื่นๆ
แม้ว่าปรากฏการณ์นี้อาจดูแปลก แต่นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ประโยชน์จากมันเพื่อประมวลผลข้อมูลในรูปแบบใหม่ ตัวอย่างเช่น การพัวพันช่วยปกป้องข้อมูลควอนตัมที่ละเอียดอ่อนและแก้ไขข้อผิดพลาดในการคำนวณควอนตัม ซึ่งเป็นสาขาที่อาจส่งผลกระทบอย่างใหญ่หลวงในด้านความมั่นคง วิทยาศาสตร์ และการเงินของชาติ การพัวพันยังช่วยให้วิธีการเข้ารหัสขั้นสูงแบบใหม่สำหรับการสื่อสารที่ปลอดภัย
การวิจัยสำหรับอุปกรณ์ที่ก้าวล้ำซึ่งบางกว่ากระดาษหนึ่งร้อยเท่าได้ดำเนินการในบางส่วนที่ ศูนย์รวมนาโนเทคโนโลยีซึ่งเป็นสถานที่สำหรับผู้ใช้ของ Department of Energy Office of Science ที่ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Sandia และ Los Alamos ทีมงานของ Sandia ได้รับเงินทุนจากโครงการ Office of Science, Basic Energy Sciences
แสงเข้า โฟตอนพันกันออกมา
metasurface ใหม่ทำหน้าที่เป็นประตูสู่ปรากฏการณ์ควอนตัมที่ผิดปกตินี้ ในบางแง่มุม มันก็เหมือนกับกระจกในภาพยนตร์เรื่อง “Through the Looking-Glass” ของลูอิส คาร์รอล ซึ่งอลิซตัวเอกหนุ่มได้สัมผัสกับโลกใหม่ที่แปลกประหลาด
แทนที่จะเดินผ่านอุปกรณ์ใหม่ของพวกเขา นักวิทยาศาสตร์จะฉายแสงเลเซอร์ผ่านอุปกรณ์ดังกล่าว ลำแสงจะลอดผ่านตัวอย่างแก้วบางเฉียบที่ปกคลุมด้วยโครงสร้างระดับนาโนที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปที่เรียกว่าแกลเลียม อาร์เซไนด์
Igal Brener นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ Sandia ผู้เชี่ยวชาญในสาขาที่เรียกว่าเลนส์ไม่เชิงเส้นซึ่งเป็นผู้นำทีม Sandia กล่าวว่า “มันตะกายไปในสนามแสงทั้งหมด” ในบางครั้ง เขากล่าวว่ามีโฟตอนที่พันกันที่ความยาวคลื่นต่างกันออกมาจากตัวอย่างในทิศทางเดียวกับลำแสงเลเซอร์ที่เข้ามา
Brener กล่าวว่าเขารู้สึกตื่นเต้นเกี่ยวกับอุปกรณ์นี้เพราะมันออกแบบมาเพื่อสร้างเว็บที่ซับซ้อนของโฟตอนที่พันกัน – ไม่ใช่แค่คู่เดียวในแต่ละครั้ง แต่ยังมีอีกหลายคู่ที่พัวพันเข้าด้วยกันและบางคู่ก็แยกไม่ออก เทคโนโลยีบางอย่างต้องการความหลากหลายที่ซับซ้อนที่เรียกว่า multi-entanglement สำหรับแผนการประมวลผลข้อมูลที่ซับซ้อน
เทคโนโลยีจิ๋วอื่น ๆ ที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์สามารถเข้าไปพัวพันโฟตอนได้ แต่ไม่มีระดับที่ซับซ้อนและพัวพันกันหลายระดับที่จำเป็นมาก จนถึงขณะนี้ วิธีเดียวที่จะสร้างผลลัพธ์ดังกล่าวได้ก็คือการมีโต๊ะหลายโต๊ะที่เต็มไปด้วยเลเซอร์ คริสตัลเฉพาะ และอุปกรณ์เกี่ยวกับการมองเห็นอื่นๆ
“มันค่อนข้างซับซ้อนและยากจะแก้ต่างเมื่อการพัวพันหลายคู่นี้ต้องการมากกว่าสองหรือสามคู่” เบรเนอร์กล่าว “พื้นผิวเมตาที่ไม่เป็นเชิงเส้นเหล่านี้สามารถบรรลุภารกิจนี้ได้ในตัวอย่างเดียว เมื่อก่อนหน้านั้นจะต้องมีการตั้งค่าออปติคัลที่ซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อ”
เอกสาร Science ได้สรุปวิธีที่ทีมประสบความสำเร็จในการปรับ metasurface ของพวกเขาเพื่อผลิตโฟตอนที่พันกันด้วยความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญในการสร้างโฟตอนที่พันกันอย่างประณีตหลายคู่พร้อมกัน
อย่างไรก็ตาม นักวิจัยตั้งข้อสังเกตในรายงานของพวกเขาว่าประสิทธิภาพของอุปกรณ์ของพวกเขา ซึ่งเป็นอัตราที่สามารถสร้างกลุ่มของโฟตอนที่พันกันนั้นได้นั้นต่ำกว่าเทคนิคอื่นๆ และจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุง
metasurface คืออะไร?
metasurface เป็นวัสดุสังเคราะห์ที่ทำปฏิกิริยากับแสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ ในลักษณะที่วัสดุทั่วไปไม่สามารถทำได้ Brener กล่าวว่าอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์กำลังยุ่งอยู่กับการพัฒนา metasurfaces เนื่องจากใช้พื้นที่น้อยลงและสามารถใช้แสงได้มากกว่าเลนส์แบบเดิม ตัวอย่างเช่น
“ตอนนี้คุณสามารถเปลี่ยนเลนส์และชิ้นเลนส์แบบหนาด้วย metasurfaces ได้แล้ว” Brener กล่าว “ metasurfaces ประเภทดังกล่าวจะปฏิวัติผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภค”
Sandia เป็นหนึ่งในสถาบันชั้นนำของโลกที่ทำการวิจัยเกี่ยวกับ metasurfaces และ metamaterials ระหว่างศูนย์ วิศวกรรมไมโครซิสเต็มส์ วิทยาศาสตร์ และการประยุกต์ใช้งาน ซึ่งผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบบผสม และศูนย์นาโนเทคโนโลยีแบบบูรณาการในบริเวณใกล้เคียง นักวิจัยสามารถเข้าถึงเครื่องมือพิเศษทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการออกแบบ ประดิษฐ์ และวิเคราะห์วัสดุใหม่ที่มีความทะเยอทะยานเหล่านี้
Sylvain Gennaro อดีตนักวิจัยดุษฏีบัณฑิตที่ Sandia ซึ่งทำงานในหลายแง่มุมของโครงการกล่าวว่า “งานนี้มีความท้าทายเนื่องจากต้องใช้เทคโนโลยีนาโนแฟบริเคชั่นที่แม่นยำเพื่อให้ได้เรโซแนนซ์แสงแบบวงแคบที่คมชัดซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการควอนตัมของงาน
อุปกรณ์ดังกล่าวได้รับการออกแบบ ประดิษฐ์ และทดสอบผ่านความร่วมมือระหว่าง Sandia และกลุ่มวิจัยที่นำโดยนักฟิสิกส์ Maria Chekhova ผู้เชี่ยวชาญด้านควอนตัมพัวพันของโฟตอนที่สถาบัน Max Planck สำหรับวิทยาศาสตร์แห่งแสง
“Metasurfaces กำลังนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในควอนตัมออปติก การรวมแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมที่มีขนาดเล็กมากเข้ากับความเป็นไปได้ในวงกว้างสำหรับวิศวกรรมสถานะควอนตัม” Tomás Santiago-Cruz สมาชิกของทีม Max Plank และผู้เขียนคนแรกของหนังสือพิมพ์กล่าว
Brener ผู้ซึ่งศึกษา metamaterials มานานกว่าทศวรรษกล่าวว่างานวิจัยใหม่ล่าสุดนี้อาจจุดประกายให้เกิดการปฏิวัติครั้งที่สอง ซึ่งเห็นว่าวัสดุเหล่านี้พัฒนาขึ้นไม่เพียง แต่เป็นเลนส์ชนิดใหม่ แต่ยังเป็นเทคโนโลยีสำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัมและการใช้งานใหม่อื่น ๆ .
“มีคลื่นลูกหนึ่งที่มี metasurfaces ที่เป็นที่ยอมรับและกำลังจะมาถึง อาจมีคลื่นลูกที่สองของแอปพลิเคชั่นที่เป็นนวัตกรรมกำลังมา” เขากล่าว
Sandia National Laboratories เป็นห้องปฏิบัติการพหุภารกิจที่ดำเนินการโดย National Technology and Engineering Solutions ของ Sandia LLC ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ Honeywell International Inc. สำหรับการบริหารความมั่นคงทางนิวเคลียร์แห่งชาติของกระทรวงพลังงานสหรัฐ Sandia Labs มีหน้าที่รับผิดชอบด้านการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญในการยับยั้งนิวเคลียร์ ความมั่นคงระดับโลก การป้องกัน เทคโนโลยีด้านพลังงาน และความสามารถในการแข่งขันทางเศรษฐกิจ โดยมีโรงงานหลักในเมืองอัลบูเคอร์คี รัฐนิวเม็กซิโก และลิเวอร์มอร์ รัฐแคลิฟอร์เนีย
