طوّر باحثون في جامعة ستانفورد الأمريكية جهازًا نانويًا للاتصالات الكمومية يعمل في درجة حرارة الغرفة. يستخدم هذا الجهاز "الضوء الملتوي" لربط لف الفوتون مع لف الإلكترون، مما يحقق تشابكًا بين الفوتونات والإلكترونات دون الحاجة إلى التبريد فائق الانخفاض، مما يوفر مسارًا تجريبيًا جديدًا لتصغير مكونات الاتصالات الكمومية.
تتوجه هذه الدراسة نحو معالجة مشكلة الاعتماد على درجات الحرارة المنخفضة في الاتصالات الكمومية. تعتمد العديد من الأنظمة الكمومية الحالية على بيئات قريبة من الصفر المطلق للحفاظ على الحالة الكمومية، مما يجعل أجهزة التبريد ضخمة الحجم وعالية التكلفة، ويحد من إمكانية دمج الأجهزة الكمومية في أجهزة الاتصالات والحوسبة الأوسع نطاقًا. استخدم فريق ستانفورد طبقة رقيقة من ثنائي سيلينيد الموليبدينوم مع ركيزة سيليكونية منقوشة نانويًا لتكوين الجهاز، حيث تقوم البنى النانوية السيليكونية بالتحكم الدقيق في الضوء، مما يجعله ينتشر بشكل حلزوني، وينقل خاصية اللف هذه إلى الإلكترونات. الفوتونات مناسبة لنقل المعلومات لمسافات طويلة، بينما الإلكترونات مناسبة لتخزين ومعالجة المعلومات داخل الرقاقة؛ وإذا أمكن إنشاء اقتران مستقر بينهما، فستتاح الفرصة لنقل المعلومات الكمومية من روابط الاتصال إلى الأجهزة الموجودة على الرقاقة.
مادة ثنائي سيلينيد الموليبدينوم المستخدمة في هذا الجهاز تنتمي إلى مواد الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية، وتتميز بخصائص بصرية وكموية مفيدة. عزز فريق البحث الضوء الملتوي وحصره من خلال البنى النانوية السيليكونية، مما أدى إلى تكوين رابط أقوى بين لف الفوتون ولف الإلكترون، وبالتالي استقرار الحالة الكمومية القابلة للاستخدام في الاتصالات. بالنسبة للاتصالات الكمومية، فإن استقرار الحالة المتشابكة، وإمكانية تكوينها في أجهزة قابلة للتصنيع، وقدرتها على العمل في درجة حرارة الغرفة، كلها عوامل تؤثر على تصميم النظام اللاحق.
"الضوء الملتوي" هنا ليس مجرد تشكيل شعاع ضوئي عادي، بل هو مجال ضوئي يحمل معلومات لف محددة. تسمح البنى النانوية للفوتونات بالدوران في اتجاه معين، وربط حالة الدوران هذه مع لف الإلكترونات في المادة. حالة البت الكمومي عرضة للاضطراب البيئي، وإذا فقد لف الإلكترون بسرعة، فلن تتمكن المعلومات من الانتقال بفعالية؛ يحافظ جهاز فريق ستانفورد، من خلال تصميم المادة وهيكل المجال الضوئي، على قابلية استخدام اقتران الفوتون-الإلكترون في ظروف درجة حرارة الغرفة. يقلل هذا المسار من الاعتماد على أنظمة التبريد الكبيرة، كما يتيح إمكانية الحصول على أجهزة أكثر إحكامًا لرقائق الاتصالات الكمومية المستقبلية وأجهزة الاستشعار الكمومية والأنظمة الضوئية الإلكترونية على الرقاقة. للوصول إلى تطبيقات على مستوى الشبكات في المستقبل، ستكون هناك حاجة إلى مصادر ضوء ومعدلات وكواشف وهياكل توصيل وتغليف أنظمة أفضل.
لا يزال فريق البحث يعمل على تحسين أداء الجهاز، ويستكشف مجموعات أخرى من الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية والمواد. العمل في درجة حرارة الغرفة هو مجرد خطوة نحو التطبيق العملي، والوصول الفعلي إلى الشبكات الكمومية يتطلب حل مشاكل اتساق الأجهزة، والتصنيع المتكامل، وقراءة الإشارات، والتحكم في الأخطاء، والاستقرار على مستوى النظام. جمع فريق ستانفورد بين الضوء الملتوي والمواد ثنائية الأبعاد والبنى النانوية السيليكونية في جهاز واحد، مما يوفر حلاً تجريبيًا لأجهزة الاتصالات الكمومية يختلف عن المسار التقليدي القائم على درجات الحرارة المنخفضة.