گام بلند به سوی پردازنده‌های فوتونیک؛ تولید پرتو نور با فرکانس‌های مختلف روی تراشه ممکن شد

گروهی از پژوهشگران موسسه کوانتومی مشترک (JQI) در دانشگاه مریلند به رهبری یک محقق ایرانی، موفق به توسعه تراشه‌ای شده‌اند که می‌تواند یک فرکانس واحد از نور لیزر را به چندین فرکانس متمایز تبدیل کند. این دستاورد، تراشه‌های نوری را یک گام دیگر به انقلابی شبیه به انقلاب نیمه‌هادی‌ها در الکترونیک نزدیک می‌کند.

دهه‌هاست که دانشمندان در تلاش‌اند تا ابزارهای علم اپتیک شامل لیزرها، لنزها و آینه‌ها را روی تراشه‌ها جا دهند. این کوچک‌سازی کلید اصلی دستیابی به سیستم‌های ارتباطی سریع‌تر، ساعت‌های اتمی فوق‌دقیق و رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر است که به جای سیگنال‌های الکترونیکی، بر پایه نور عمل می‌کنند.
با این حال، یکی از موانع همیشگی، دشواری تبدیل یک پرتو لیزر به چندین رنگ یا فرکانس جدید در ابعاد کوچک بوده است؛ فرآیندی که برای بسیاری از فناوری‌های کوانتومی حیاتی است. برخلاف منشورها که صرفاً رنگ‌های موجود در نور را تفکیک می‌کنند، تراشه‌های جدید JQI با استفاده از «برهم‌کنش‌های غیرخطی»، رنگ‌های جدیدی تولید می‌کنند که در پرتو اولیه وجود نداشتند.

نقش تشدیدگرهای میکروسکوپی

ایجاد فرکانس‌های نوری جدید نیازمند شدت نور بسیار بالایی است تا خواص نوری ماده تغییر کند. امروزه ابزارهای فوتونیک یکپارچه از تشدیدگرهای (Resonator) میکروسکوپی استفاده می‌کنند که نور را در چرخه‌های تکرارشونده به دام می‌اندازند. در این حالت، یک فوتون واحد میلیون‌ها بار گردش می‌کند و این امر برهم‌کنش غیرخطی را تقویت می‌نماید.

در طرح‌های پیشین، تنظیم تراشه برای تولید ترکیب رنگ خاص بسیار ناپایدار بود و تغییرات جزئی دما یا نقص‌های فرایند ساخت می‌توانست در فرکانس‌های ایجاد شده تداخل ایجاد کند. اما رویکرد جدید تیم JQI با طراحی تشدیدگرهایی که ذاتاً فرکانس‌های مطلوب را ترجیح می‌دهند، نیاز به تنظیمات مداوم را از بین برده است.

پایداری و تکرارپذیری، کلید موفقیت تراشه جدید

محمد حافظی، عضو موسسه JQI و استاد مهندسی برق و فیزیک دانشگاه مریلند که هدایت این پروژه را بر عهده داشته است، تأکید می‌کند که تکرارپذیری این تراشه‌ها به اندازه عملکرد آن‌ها اهمیت دارد. به گفته او، این دستگاه‌ها بدون نیاز به کنترل فعال، خروجی طیفی یکسانی را ارائه می‌دهند که ادغام آن‌ها در سیستم‌های نوری بزرگ‌تر را ساده می‌کند. حافظی این دستاورد را پیشرفتی معنادار به سوی «فوتونیک یکپارچه مقیاس‌پذیر و قابل‌اعتماد» توصیف می‌کند.

این فناوری در مراحل بعدی می تواند به عنوان بخش مهمی از معماری‌های محاسبات کوانتومی و ساعت‌های اتمی قابل‌حمل عمل کند؛ ابزارهایی که با ترکیب چندین فرکانس نوری، امکان سنجش فاز، فاصله و زمان را با دقتی بی‌سابقه فراهم می‌کنند.

نتایج این پژوهش در مجله علمی Science منتشر شده است.