- ทีมวิจัยสร้างคู่ฟอตอนที่มีความคล้ายคลึง 90% สำเร็จ ซึ่งสำคัญยิ่งต่อการสื่อสารควอนตัม。
- ใช้จุดควอนตัมครึ่งตัวนำและช่องโหว่แสง (optical cavity) สร้างฟอตอนที่เกือบแยกจากกันไม่ได้。
- กระบวนการสลายตัวของไบเอกซิทอน (biexciton decay) เร่งการปล่อยแสง ทำให้สามารถสร้างได้อย่างควบคุม。
- ความไม่สามารถแยกแยะฟอตอนได้ที่สูงขึ้น ช่วยลดข้อผิดพลาดในการประมวลผลข้อมูล。
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบาเซล (Basel)、รูร์ (Ruhr) และปาดอร์บอร์น (Paderborn) ร่วมมือกันทำลายอุปสรรคอย่างสำคัญในสาขาการสื่อสารควอนตัม สร้างคู่ฟอตอนที่เหมือนกัน 90% สำเร็จ ลูกโปรงที่เกือบจะแยกจากกันไม่ได้เหล่านี้ สามารถนำไปใช้สร้างการพันกันแบบควอนตัม (quantum entanglement) หรือการแหกคลื่น (interference) ได้ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์สำคัญต่อการสื่อสารควอนตัม การเข้าใจฟิสิกส์ควอนตัมได้เปิดโอกาสใหม่สำหรับการคำนวณและการตรวจจับ นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้วัสดุที่แตกต่างกันในการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลในระดับควอนตัม โดยใช้หลายวิธี รวมถึงการจับกุมไอออน (trapped ions) อะตอมอเนตร (neutral atoms) วงจรนำไฟฟ้าซูเปอร์คอนดักเตอร์ (superconducting circuits) และฟอตอน (photons) เพื่อเป็นควอนตัมบิต (qubit) ฟอตอนเป็นหนึ่งในตัวถ่ายทอดข้อมูลที่ควบคุมง่ายที่สุด
อย่างไรก็ตาม เพื่อนำฟอตอนเหล่านี้ไปใช้ในการสื่อสารควอนตัม ต้องมีคุณสมบัติที่เหมือนกันทุกประการ หรือต้องเป็นสิ่งที่ "แยกจากกันไม่ได้" (indistinguishable) ระหว่างกัน การพยายามสร้างฟอตอนเหล่านี้ในอดีตมีความสำเร็จจำกัด เนื่องจากฟอตอนไม่ว่าจะโฟกัสไม่ดี หรือมีเพียงความสัมพันธ์ชั่วคราวเท่านั้น
เทคโนโลยีการสร้างฟอตอนที่ทำลายอุปสรรค
ความพยายามร่วมมือของนักวิจัยจากบาเซล (Basel)、รูร์ (Ruhr) และปาดอร์บอร์น (Paderborn) ได้แก้ไขอุปสรรคนี้ผ่านจุดควอนตัมครึ่งตัวนำ (semiconductor quantum dots) นักวิจัยใช้จุดควอนตัมครึ่งตัวนำที่มีช่องโหว่แสง (optical cavity) ใช้กระบวนการที่เรียกว่า "การสลายตัวของไบเอกซิทอน" (biexciton decay) เพื่อสร้างฟอตอนที่เกือบแยกจากกันไม่ได้ ในกระบวนการนี้ โมเลกุลที่ประกอบด้วยเอกซิทอน (exciton) สองตัวที่ถูกผูกมั่นคง สลายตัวและปล่อยเอกซิทอนหนึ่งตัวและฟอตอนหนึ่งตัวออกมา "จุดควอนตัมมักถูกอธิบายว่าเป็นอะตอมเทียมในครึ่งตัวนำ ซึ่งสามารถสร้างฟอตอนเดี่ยวได้" ศาสตราจารย์สเตฟาน·ชูมัคเกอร์ (Stefan Schumacher) หัวหน้าคณะโครงสร้างโฟตอนิกส์เชิงฟังก์ชัน (Functional Photonic Structures) ของมหาวิทยาลัยปาดอร์บอร์น (Paderborn University) อธิบายว่า "ผ่านการบูรณาการจุดควอนตัมเข้าไปในช่องโหว่แสงเฉพาะทาง — คล้ายกับช่องโหว่ในเลเซอร์ — งานวิจัยครั้งนี้เร่งและควบคุมกระบวนการปล่อยแสงในลักษณะเฉพาะ"
เอกซิทอน (exciton) ประกอบด้วยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและรูว่างของอิเล็กตรอน (electron hole) หนึ่งตัว ในกระบวนการนี้ จุดควอนตัมถูกกระตุ้นสองครั้ง (double excitation) ตามด้วยการสลายตัวของการกระตุ้น ดังนั้น การสลายตัวแบบทวีคูนของไบเอกซิทอน (biexciton cascade) จึงสร้างฟอตอนสองตัว ต่อเนื่องกัน สิ่งสำคัญกว่านั้น คู่ฟอตอนสามารถสร้างขึ้นได้ในทันทีที่กดปุ่ม ซึ่งมีประโยชน์มากสำหรับการปรับใช้เทคโนโลยียุคใหม่
วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพความบริสุทธิ์ของฟอตอน
ทีมวิจัยศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุดควอนตัมและช่องโหว่แสง ซึ่งเป็นงานวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ริชาร์ด·วอร์เบอร์ตัน (Richard Warburton) ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ของของแข็งเชิงทดลอง (Experimental Condensed Matter Physics) ของมหาวิทยาลัยบาเซล (University of Basel) แม้งานนี้จะช่วยให้ได้ความก้าวหน้าที่สำคัญในหลายด้าน แต่วงการวิจัยร่วมมือได้นำวิทยาศาสตร์การสลายตัวของไบเอกซิทอน (biexciton decay) มาใช้ ให้เกิดการสลายตัวอย่างสามารถควบคุมได้ สิ่งนี้ช่วยให้นักวิจัยบรรลุความไม่สามารถแยกแยะได้ (indistinguishability) 90% ซึ่งสูงกว่า 60% ที่เคยทำได้มาก่อน ความไม่สามารถแยกแยะฟอตอนได้ที่สูงขึ้น หมายถึงข้อผิดพลาดน้อยลงในการประมวลผลข้อมูล "ผลลัพธ์สอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎีอย่างยอดเยี่ยม ชี้ทางไปสู่การสร้างฟอตอนที่มีความไม่สามารถแยกแยะได้สูงขึ้น" วอร์เบอร์ตัน (Warburton) เพิ่มเติมในคำประกาศข่าว
"พวกเขาได้พิสูจน์แล้วว่าการสลายตัวของไบเอกซิทอน (biexciton decay) สามารถสร้างฟอตอนคุณภาพสูงมากได้ — กรณีที่ระบบถูกควบคุมอย่างเหมาะสมภายใต้การใช้ช่องโหว่ (cavity)"
คลอส·ยอนส์ (Klaus Jöns) หัวหน้ากลุ่มอุปกรณ์โฟตอนิกส์ควอนตัมไฮบริด (Hybrid Quantum Photonic Devices) ของมหาวิทยาลัยปาดอร์บอร์น (Paderborn University) กล่าวว่า "เราพบว่าความบริสุทธิ์ของฟอตอนที่สร้างขึ้น สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ผ่านช่องโหว่สั่น (resonant cavity) โดยถูกจำกัดเพียงแค่การสั่นสะเทือน (vibrations) ในกริดครึ่งตัวนำ (phonons) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "การให้อาหารช่องโหว่" (cavity feeding) ซึ่งต้องได้รับการพิจารณาในการออกแบบในอนาคต และสามารถลดลงได้อย่างเป็นระบบอีก" ผลงานวิจัยนี้ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Applied
เทคโนโลยีใหม่ขับเคลื่อนการพัฒนาการสื่อสารควอนตัมอย่างไร
งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของจุดควอนตัมครึ่งตัวนำ (semiconductor quantum dots) ในการสื่อสารควอนตัม โดยเฉพาะผ่านการสลายตัวของไบเอกซิทอน (biexciton decay) เพื่อสร้างฟอตอนคุณภาพสูง ด้วยการเพิ่มขึ้นของความไม่สามารถแยกแยะฟอตอนได้ (photon indistinguishability) จะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของการสื่อสารควอนตัม และลดข้อผิดพลาดในการประมวลผลข้อมูล ผลงานของทีมวิจัยไม่เพียงแต่ขับเคลื่อนเทคโนโลยีการสื่อสารควอนตัมให้ก้าวหน้า แต่ยังอาจส่งผลต่อเทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวติ้ง (quantum computing) และการตรวจจับควอนตัม (quantum sensing) ในอนาคต เนื่องจากสาขาเหล่านี้ทุกสาขาพึ่งพาการดำเนินการควอนตัมบิต (qubit operations) ที่มีประสิทธิภาพ