مسافر007
15th June 2011, 10:13 PM
تنظيم دقيق رفتار نقاط كوانتومي با استفاده از ليزرها اخيراً محققاني از مؤسسة ملي استانداردها و فناوري (NIST) و مؤسسة كوانتومي جوينت(Joint Quantum Institute or JQI)، راهي جديد براي تنظيم دقيق نورِ منتشرشده از نقاط كوانتومي يافته‌اند. اين كشف كه در آن از يك جفت ليزر استفاده مي‌شود، مي‌تواند از نقاط كوانتومي، چشمههايي بسازد كه جفت‌هايي از فوتونِ هم‌بسته توليد مي‌كنند. چنين چشمههايي در فناوري‌هاي اطلاعات كوانتومي كاربردهاي مهمي دارند و در صورت كامل شدنِ مراحل ساخت، مي‌توان با استفاده از آن توسعة كاربردهاي رمزنويسي پيشرفتة قدرتمند را تسريع كرد.
فوتون‌هاي هم‌بسته، يكي از نتايج شگفت‌انگيز مكانيك كوانتومي هستند. اين فوتون‌ها حتي اگر به ميزان زيادي از يكديگر دور شوند ارتباط بين خود را حفظ مي‌كنند. هم‌بستگي به اين معناست كه مشاهدة يكي از اين دو فوتون بلافاصله بر روي خصوصيات فوتونِ دوم تأثير مي‌گذارد. از اين خصوصيت مي‌توان در ارتباطات كوانتومي و در انتقال يك كليد رمزي با ماهيتي كاملاً محرمانه، بهره گرفت. در چنين كاربردي مي‌توان هرگونه استراق سمع و يا نفوذ در شبكه را بلافاصله آشكار ساخت. يكي از اهداف اين گروه، توسعه و اصلاح نقاط كوانتومي به‌منظور ساخت چشمه‌اي مناسب براي تابش فوتون‌هاي هم‌بسته است.
نقاط كوانتومي با اينكه از ده‌ها هزار اتم ساخته شده‌اند؛ اما در بسياري از موارد تقريباً همانند يك ذرة تك‌اتمي رفتار مي‌كنند. البته براي كاربردهاي ظريفِ رمزنگاري كوانتومي و در نسل جديد فناوري‌هاي اطلاعات، به ضريب اطمينان بيشتري نياز است. با انرژي دادن به يك نقطة كوانتومي، همانند يك اتم منفرد، فوتون تابش مي‌كند؛ اما عيوبي كه در شكل يك نقطة كوانتومي وجود دارد باعث مي‌شود كه ترازهاي انرژي‌اي كه بايد با يكديگر همپوشاني داشته باشند، از يكديگر جدا شوند. اين امر، توازن دقيقي كه براي تابش فوتون‌هاي هم‌بسته لازم است، را برهم مي‌زند.
محققان مذكور براي حل اين مشكل، از ليزرها استفاده كرده و به كمك آنها ترازهاي انرژي نقاط كوانتومي را به دقت كنترل كردند. اين راهكار دقيقاً مشابه با راهكاري است كه فيزيك‌دانان در اواسط دهة ۱۹۷۰ در مورد اتم‌هاي منفرد استفاده كردند. اين گروه به كمك دو ليزر(يكي براي تابش بر روي نقطة كوانتومي از بالا، و ديگري براي تابش از پهلو) توانستند حالت‌هاي انرژي را در يك نقطة كوانتومي تغيير داده، تابشِ نقطة مورد نظر را مستقيماً اندازه‌گيري كنند. آنها از طريق تنظيم شدت پرتوهاي ليزر توانستند تغييراتِ ايجادشده به‌وسيلة عيوب را اصلاح و سيگنال‌هاي ايده‌آل‌تري را توليد كنند. به اين ترتيب، اين گروه براي نخستين بار نشان دادند كه نقاط كوانتومي تنظيم‌شده با ليزر مي‌توانند به شكل مؤثري فوتون‌ها را به‌صورت تك‌تك و يكي پس از ديگري توليد كنند (رمزنويسي كوانتومي و ساير كاربردها به اين ويژگي نيازمندند).
ابزاري كه اين گروه ساخته‌اند، آنچنان كوچك و فشرده است كه در كف دست جاي مي‌گيرد؛ البته هم‌اكنون براي استفاده از اين ابزار به دماهاي بسيار پايين نياز است و بايد آن را در يك ظرفِ هليومِ مايع قرار داد. ظاهر فشردة اين ابزار، براي كاربردهاي رمزنگاري كوانتومي يك مزيت بزرگ محسوب مي‌شود.
نتايج اين تحقيق در نشرية Physical Review Letters به چاپ رسيده‌است
كنترل رفتار نقاط كوانتومي توسط ليزرهاي دوگانه
محققان مركز ملي استاندارد و فناوري (NIST) و موسسه مشترك كوانتوم (JQI) (يك مركز مشترك از دانشگاه مريلند و NIST) روش جديدي براي تنظيم دقيق نور ساطع شده از يك نقطه كوانتومي با دستكاري آنها با يك جفت ليزر توسعه داده‌اند.
اين روش كه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، مي‌تواند به ميزان زيادي نقاط كوانتومي را به عنوان منبع جفت‌فوتون گيرافتاده توسعه دهد؛ اين ويژگي كاربردهاي مهمي در فناوري‌هاي اطلاعاتي دارد.
اين كار مي‌تواند توسعه كاربردهاي رمزنويسي قدرتمند و پيشرفته را كه پيش‌بيني مي‌شود يكي از فناوري‌هاي كليدي قرن 21 باشد، شتاب بخشد.
فوتون‌هاي گيرافتاده نتيجه خاص مكانيك كوانتوم است. اين فوتون‌ها كه توليد آنها بسيار مشكل است، حتي زماني كه از هم فاصله زيادي پيدا مي‌كنند، به نحوي باهم متصل باقي مي‌مانند. فقط مشاهده لحظه‌اي يكي از آنها، بر ويژگي‌هاي ديگري تأثير مي‌گذارد. اين ارتباط مي‌تواند در ارتباطات كوانتومي براي انتقال يك كليد رمزي كه به طور طبيعي كاملاً سري است، مورد استفاده قرار گيرد. هرگونه تلاشي براي استراق سمع موجب از بين رفتن فوري اين كليد رمزي مي‌شود.
يكي از هدف‌هاي اين گروه تحقيقاتي توسعه نقاط كوانتومي به عنوان منبع آساني براي توليد فوتون‌هاي گيرافتاده است.
نقاط كوانتومي نواحي نانومقياسي از يك ماده نيمه‌هادي، شبيه ماده مورد استفاده در پردازنده‌هاي رايانه هستند، اما به دليل ابعادشان، ويژگي‌هاي خاصي دارند. با وجودي كه اين نقاط مي‌توانند از ده‌ها هزار اتم تشكيل شوند، اما به نحوي رفتار مي‌كنند كه گويي يك اتم منفرد هستند. متأسفانه اين نقاط كوانتومي در دنياي شكننده رمزنگاري و نسل بعدي فناوري‌هاي اطلاعاتي به اندازه كافي خوب نيستند. زماني كه انرژي به اين نقاط كوانتومي داده شود، درست همانند يك اتم تنها، از خود فوتون يا ذرات نور منتشر مي‌كنند. اما نواقص موجود در شكل يك نقطه كوانتومي موجب جدا شدن سطوح انرژي مي‌شود كه بايد همپوشاني نمايند. اين امر تعادل ظريف مورد نياز براي نشر فوتون‌هاي گيرافتاده را برهم مي‌زند.
گروه تحقيقاتي NIST-JQI براي غلبه بر اين مشكل از ليزرهايي براي كنترل دقيق سطح انرژي نقاط كوانتومي استفاده مي‌كند، همانگونه كه فيزيكدان‌ها از اواسط دهه 80 براي كنترل سطح انرژي اتم‌هاي منفرد از اين روش استفاده كرده‌اند. اين محققان با استفاده از دو تابش ليزري كه يكي درست در بالاي نقطه كوانتومي قرار گرفته و دومي از كنار به آن مي‌تابد، توانستند حالت‌هاي انرژي را در يك نقطه كوانتومي به صورت دقيق كنترل كرده و نشر آن را اندازه بگيرند.
با تنظيم شدت تابش‌هاي ليزري آنها توانستند تغييرات ناشي از نواقص را تصحيح نموده و سيگنال‌هاي بسيار ايده‌آل‌تري توليد نمايند.
اين تيم تحقيقاتي اولين گروهي است كه ثابت كرده است نقاط كوانتومي تنظيم شده با ليزر مي‌توانند به طور موثري فوتون‌ها را يكي يكي توليد نمايند، همانگونه كه براي رمزنگاري و كاربردهاي ديگر لازم است.
حل مشكل چشمك زدن نقاط كوانتومي
به‌تازگي محققان مؤسسه JILA با شستشوي نقاط كوانتومي در يك محلول شيميايي توانستند مشكل چشمك زدن اين نقاط را حل كنند. اين كشف مي‌تواند سودمندي اين نقاط را در كاربردهايي، مانند آزمايش‌هاي زيست پزشكي و رمزنگاري(cryptography) كوانتومي افزايش دهد.
نقاط كوانتومي موجب ايجاد فرصت‌هاي جديدي در تحقيقات زيست پزشكي و رمزنگاري، و ساير زمينه‌ها شده‌اند؛ اما اين نانوبلورهاي نيمه‌رسانا يك مشكل مرموز دارند؛ اين نقاط داراي چشمك‌هايي با اندازه زماني چند ميليونيوم ثانيه تا ده‌ها ثانيه، و يا حتي بيشتر هستند كه اين مسئله از سودمندي اين نقاط مي‌كاهد.
ديويد نسبيت، يكي از اعضاي JILA، اظهار داشت كه گروه JILA توانست از طريق شستشوي اين نقاط در يك محلول آبي متشكل از يك ماده شيميايي آنتي‌اكسيدان، ميزان نرخ تابش فوتون را چهار تا پنج برابر افزايش دهد كه يك نتيجه خيره‌كننده به شمار مي‌رود.
دانشمندان JILA توانستند به طرز چشمگيري زمان تأخير ميانگين بين برانگيختگي يك نقطه كوانتومي و تابش فوتون به دست‌آمده را از 21 نانوثانيه به چهار نانوثانيه كاهش دهند و احتمال چشمك زدن را تا صد برابر كمتر كنند. نقاط كوانتومي مورد استفادة اين گروه، هسته‌هاي كادميوم-سلنيد پوشش داده شده با سولفيد روي با اندازه چهار نانومتر است.
زماني كه يك نقطه با يك پالس ليزر برانگيخته مي‌شود، الكتروني از حفره‌اي كه در حالت معمول در آن قرار دارد، جدا مي‌شود. چند نانوثانيه بعد، اين الكترون به داخل حفره برگشته و يك فوتون(كه در آزمايش مذكور زرد بود) تابش مي‌كند؛ اما هر چند وقت يك بار، الكترون برانگيخته به مكان قبلي خود برنمي‌گردد و به عيوب سطحي نقطه مي رود. ماده شيميايي اضافه‌شده به‌وسيلة JILA عيوب سطحي را حذف كرده، به اين ترتيب مانع از چشمك زدن نقطه كوانتومي مي‌شود.
منبع: وب سايت علوم پايه
فوتون‌هاي هم‌بسته، يكي از نتايج شگفت‌انگيز مكانيك كوانتومي هستند. اين فوتون‌ها حتي اگر به ميزان زيادي از يكديگر دور شوند ارتباط بين خود را حفظ مي‌كنند. هم‌بستگي به اين معناست كه مشاهدة يكي از اين دو فوتون بلافاصله بر روي خصوصيات فوتونِ دوم تأثير مي‌گذارد. از اين خصوصيت مي‌توان در ارتباطات كوانتومي و در انتقال يك كليد رمزي با ماهيتي كاملاً محرمانه، بهره گرفت. در چنين كاربردي مي‌توان هرگونه استراق سمع و يا نفوذ در شبكه را بلافاصله آشكار ساخت. يكي از اهداف اين گروه، توسعه و اصلاح نقاط كوانتومي به‌منظور ساخت چشمه‌اي مناسب براي تابش فوتون‌هاي هم‌بسته است.
نقاط كوانتومي با اينكه از ده‌ها هزار اتم ساخته شده‌اند؛ اما در بسياري از موارد تقريباً همانند يك ذرة تك‌اتمي رفتار مي‌كنند. البته براي كاربردهاي ظريفِ رمزنگاري كوانتومي و در نسل جديد فناوري‌هاي اطلاعات، به ضريب اطمينان بيشتري نياز است. با انرژي دادن به يك نقطة كوانتومي، همانند يك اتم منفرد، فوتون تابش مي‌كند؛ اما عيوبي كه در شكل يك نقطة كوانتومي وجود دارد باعث مي‌شود كه ترازهاي انرژي‌اي كه بايد با يكديگر همپوشاني داشته باشند، از يكديگر جدا شوند. اين امر، توازن دقيقي كه براي تابش فوتون‌هاي هم‌بسته لازم است، را برهم مي‌زند.
محققان مذكور براي حل اين مشكل، از ليزرها استفاده كرده و به كمك آنها ترازهاي انرژي نقاط كوانتومي را به دقت كنترل كردند. اين راهكار دقيقاً مشابه با راهكاري است كه فيزيك‌دانان در اواسط دهة ۱۹۷۰ در مورد اتم‌هاي منفرد استفاده كردند. اين گروه به كمك دو ليزر(يكي براي تابش بر روي نقطة كوانتومي از بالا، و ديگري براي تابش از پهلو) توانستند حالت‌هاي انرژي را در يك نقطة كوانتومي تغيير داده، تابشِ نقطة مورد نظر را مستقيماً اندازه‌گيري كنند. آنها از طريق تنظيم شدت پرتوهاي ليزر توانستند تغييراتِ ايجادشده به‌وسيلة عيوب را اصلاح و سيگنال‌هاي ايده‌آل‌تري را توليد كنند. به اين ترتيب، اين گروه براي نخستين بار نشان دادند كه نقاط كوانتومي تنظيم‌شده با ليزر مي‌توانند به شكل مؤثري فوتون‌ها را به‌صورت تك‌تك و يكي پس از ديگري توليد كنند (رمزنويسي كوانتومي و ساير كاربردها به اين ويژگي نيازمندند).
ابزاري كه اين گروه ساخته‌اند، آنچنان كوچك و فشرده است كه در كف دست جاي مي‌گيرد؛ البته هم‌اكنون براي استفاده از اين ابزار به دماهاي بسيار پايين نياز است و بايد آن را در يك ظرفِ هليومِ مايع قرار داد. ظاهر فشردة اين ابزار، براي كاربردهاي رمزنگاري كوانتومي يك مزيت بزرگ محسوب مي‌شود.
نتايج اين تحقيق در نشرية Physical Review Letters به چاپ رسيده‌است
كنترل رفتار نقاط كوانتومي توسط ليزرهاي دوگانه
محققان مركز ملي استاندارد و فناوري (NIST) و موسسه مشترك كوانتوم (JQI) (يك مركز مشترك از دانشگاه مريلند و NIST) روش جديدي براي تنظيم دقيق نور ساطع شده از يك نقطه كوانتومي با دستكاري آنها با يك جفت ليزر توسعه داده‌اند.
اين روش كه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، مي‌تواند به ميزان زيادي نقاط كوانتومي را به عنوان منبع جفت‌فوتون گيرافتاده توسعه دهد؛ اين ويژگي كاربردهاي مهمي در فناوري‌هاي اطلاعاتي دارد.
اين كار مي‌تواند توسعه كاربردهاي رمزنويسي قدرتمند و پيشرفته را كه پيش‌بيني مي‌شود يكي از فناوري‌هاي كليدي قرن 21 باشد، شتاب بخشد.
فوتون‌هاي گيرافتاده نتيجه خاص مكانيك كوانتوم است. اين فوتون‌ها كه توليد آنها بسيار مشكل است، حتي زماني كه از هم فاصله زيادي پيدا مي‌كنند، به نحوي باهم متصل باقي مي‌مانند. فقط مشاهده لحظه‌اي يكي از آنها، بر ويژگي‌هاي ديگري تأثير مي‌گذارد. اين ارتباط مي‌تواند در ارتباطات كوانتومي براي انتقال يك كليد رمزي كه به طور طبيعي كاملاً سري است، مورد استفاده قرار گيرد. هرگونه تلاشي براي استراق سمع موجب از بين رفتن فوري اين كليد رمزي مي‌شود.
يكي از هدف‌هاي اين گروه تحقيقاتي توسعه نقاط كوانتومي به عنوان منبع آساني براي توليد فوتون‌هاي گيرافتاده است.
نقاط كوانتومي نواحي نانومقياسي از يك ماده نيمه‌هادي، شبيه ماده مورد استفاده در پردازنده‌هاي رايانه هستند، اما به دليل ابعادشان، ويژگي‌هاي خاصي دارند. با وجودي كه اين نقاط مي‌توانند از ده‌ها هزار اتم تشكيل شوند، اما به نحوي رفتار مي‌كنند كه گويي يك اتم منفرد هستند. متأسفانه اين نقاط كوانتومي در دنياي شكننده رمزنگاري و نسل بعدي فناوري‌هاي اطلاعاتي به اندازه كافي خوب نيستند. زماني كه انرژي به اين نقاط كوانتومي داده شود، درست همانند يك اتم تنها، از خود فوتون يا ذرات نور منتشر مي‌كنند. اما نواقص موجود در شكل يك نقطه كوانتومي موجب جدا شدن سطوح انرژي مي‌شود كه بايد همپوشاني نمايند. اين امر تعادل ظريف مورد نياز براي نشر فوتون‌هاي گيرافتاده را برهم مي‌زند.
گروه تحقيقاتي NIST-JQI براي غلبه بر اين مشكل از ليزرهايي براي كنترل دقيق سطح انرژي نقاط كوانتومي استفاده مي‌كند، همانگونه كه فيزيكدان‌ها از اواسط دهه 80 براي كنترل سطح انرژي اتم‌هاي منفرد از اين روش استفاده كرده‌اند. اين محققان با استفاده از دو تابش ليزري كه يكي درست در بالاي نقطه كوانتومي قرار گرفته و دومي از كنار به آن مي‌تابد، توانستند حالت‌هاي انرژي را در يك نقطه كوانتومي به صورت دقيق كنترل كرده و نشر آن را اندازه بگيرند.
با تنظيم شدت تابش‌هاي ليزري آنها توانستند تغييرات ناشي از نواقص را تصحيح نموده و سيگنال‌هاي بسيار ايده‌آل‌تري توليد نمايند.
اين تيم تحقيقاتي اولين گروهي است كه ثابت كرده است نقاط كوانتومي تنظيم شده با ليزر مي‌توانند به طور موثري فوتون‌ها را يكي يكي توليد نمايند، همانگونه كه براي رمزنگاري و كاربردهاي ديگر لازم است.
حل مشكل چشمك زدن نقاط كوانتومي
به‌تازگي محققان مؤسسه JILA با شستشوي نقاط كوانتومي در يك محلول شيميايي توانستند مشكل چشمك زدن اين نقاط را حل كنند. اين كشف مي‌تواند سودمندي اين نقاط را در كاربردهايي، مانند آزمايش‌هاي زيست پزشكي و رمزنگاري(cryptography) كوانتومي افزايش دهد.
نقاط كوانتومي موجب ايجاد فرصت‌هاي جديدي در تحقيقات زيست پزشكي و رمزنگاري، و ساير زمينه‌ها شده‌اند؛ اما اين نانوبلورهاي نيمه‌رسانا يك مشكل مرموز دارند؛ اين نقاط داراي چشمك‌هايي با اندازه زماني چند ميليونيوم ثانيه تا ده‌ها ثانيه، و يا حتي بيشتر هستند كه اين مسئله از سودمندي اين نقاط مي‌كاهد.
ديويد نسبيت، يكي از اعضاي JILA، اظهار داشت كه گروه JILA توانست از طريق شستشوي اين نقاط در يك محلول آبي متشكل از يك ماده شيميايي آنتي‌اكسيدان، ميزان نرخ تابش فوتون را چهار تا پنج برابر افزايش دهد كه يك نتيجه خيره‌كننده به شمار مي‌رود.
دانشمندان JILA توانستند به طرز چشمگيري زمان تأخير ميانگين بين برانگيختگي يك نقطه كوانتومي و تابش فوتون به دست‌آمده را از 21 نانوثانيه به چهار نانوثانيه كاهش دهند و احتمال چشمك زدن را تا صد برابر كمتر كنند. نقاط كوانتومي مورد استفادة اين گروه، هسته‌هاي كادميوم-سلنيد پوشش داده شده با سولفيد روي با اندازه چهار نانومتر است.
زماني كه يك نقطه با يك پالس ليزر برانگيخته مي‌شود، الكتروني از حفره‌اي كه در حالت معمول در آن قرار دارد، جدا مي‌شود. چند نانوثانيه بعد، اين الكترون به داخل حفره برگشته و يك فوتون(كه در آزمايش مذكور زرد بود) تابش مي‌كند؛ اما هر چند وقت يك بار، الكترون برانگيخته به مكان قبلي خود برنمي‌گردد و به عيوب سطحي نقطه مي رود. ماده شيميايي اضافه‌شده به‌وسيلة JILA عيوب سطحي را حذف كرده، به اين ترتيب مانع از چشمك زدن نقطه كوانتومي مي‌شود.
منبع: وب سايت علوم پايه