Salah satu detektor foton baru para peneliti, disimpan di seberang saluran cahaya – atau “panduan gelombang” (pita hitam horizontal) – pada chip optik silikon.
Dalam sebuah studi baru, para peneliti menggambarkan proses flip-chip skala mikrometer yang memungkinkan integrasi yang dapat diskalakan dari foton nanowire single-A superkonduktor adalah partikel cahaya. Ini adalah unit dasar cahaya dan radiasi elektromagnetik lainnya, dan bertanggung jawab atas gaya elektromagnetik, salah satu dari empat gaya dasar alam. Foton tidak memiliki massa, tetapi memiliki energi dan momentum. Mereka bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan dapat memiliki panjang gelombang yang berbeda, yang sesuai dengan warna cahaya yang berbeda. Foton juga dapat memiliki energi yang berbeda, yang sesuai dengan frekuensi cahaya yang berbeda.
detektor foton pada rentang sirkuit fotonik.
Sebuah tim peneliti telah membangun serangkaian detektor cahaya yang cukup sensitif untuk mencatat kedatangan partikel cahaya individu, atau foton, dan memasangnya pada chip optik silikon. Array seperti itu adalah komponen penting dari perangkat yang menggunakan foton untuk melakukan perhitungan kuantum.
Detektor foton tunggal terkenal temperamental: Dari 100 yang disimpan pada sebuah chip menggunakan teknik manufaktur standar, hanya segelintir yang biasanya berfungsi. Dalam sebuah makalah yang muncul di Nature Communications, para peneliti di MIT adalah singkatan dari Massachusetts Institute of Technology. Ini adalah universitas riset swasta bergengsi di Cambridge, Massachusetts yang didirikan pada tahun 1861. Ini diatur dalam lima Sekolah: arsitektur dan perencanaan; rekayasa; humaniora, seni, dan ilmu sosial; pengelolaan; dan sains. Dampak MIT mencakup banyak terobosan ilmiah dan kemajuan teknologi. Tujuan mereka menyatakan adalah untuk membuat dunia yang lebih baik melalui pendidikan, penelitian, dan inovasi.
MIT dan di tempat lain menjelaskan prosedur untuk membuat dan menguji detektor secara terpisah dan kemudian mentransfernya yang berfungsi pada chip optik yang dibuat menggunakan proses manufaktur standar.
Selain menghasilkan array yang lebih padat dan lebih besar, pendekatan ini juga meningkatkan sensitivitas detektor. Dalam percobaan, para peneliti menemukan bahwa detektor mereka 100 kali lebih mungkin untuk mencatat kedatangan satu foton secara akurat daripada yang ditemukan pada susunan sebelumnya.
“Anda membuat kedua bagian — detektor dan chip fotonik — melalui proses fabrikasi terbaiknya, yang berdedikasi, dan kemudian menyatukannya,” jelas Faraz Najafi, seorang mahasiswa pascasarjana di bidang teknik elektro dan ilmu komputer di MIT dan penulis pertama di kertas baru.
Berpikir kecil
Menurut mekanika kuantum, partikel fisik yang sangat kecil, berlawanan dengan intuisi, mampu menghuni keadaan yang saling eksklusif pada waktu yang sama. Elemen komputasi yang dibuat dari partikel semacam itu — dikenal sebagai bit kuantum, atau qubit — dapat mewakili nol dan satu secara bersamaan. Jika beberapa qubit “terjerat”, yang berarti bahwa status kuantumnya bergantung satu sama lain, maka perhitungan kuantum tunggal, dalam arti tertentu, seperti melakukan banyak perhitungan secara paralel.
Pada sebagian besar partikel, keterikatan sulit dipertahankan, tetapi relatif mudah dengan foton. Oleh karena itu, sistem optik adalah pendekatan yang menjanjikan untuk perhitungan kuantum. Tetapi komputer kuantum mana pun – katakanlah, yang qubitnya adalah ion yang terperangkap laser atau atom nitrogen yang tertanam dalam berlian – masih akan mendapat manfaat dari penggunaan foton terjerat untuk memindahkan informasi kuantum.
“Karena pada akhirnya seseorang ingin membuat prosesor optik semacam itu dengan mungkin puluhan atau ratusan qubit fotonik, menjadi sulit untuk melakukan ini dengan menggunakan komponen optik tradisional,” kata Dirk Englund, Asisten Profesor Pengembangan Karir Jamieson di Teknik Elektro dan Ilmu Komputer di MIT dan penulis yang sesuai di kertas baru. “Ini tidak hanya berat tetapi mungkin tidak mungkin, karena jika Anda mencoba membangunnya di atas meja optik besar, gerakan acak meja akan menyebabkan kebisingan pada kondisi optik ini. Jadi ada upaya untuk mengecilkan sirkuit optik ini menjadi sirkuit terpadu fotonik.”
Proyek ini merupakan kolaborasi antara kelompok Englund dan Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group, yang dipimpin oleh Karl Berggren, seorang profesor teknik elektro dan ilmu komputer, dan Najafi adalah salah satu anggotanya. Para peneliti MIT juga bergabung dengan rekan-rekan di IBM dan Didirikan pada tahun 1958, National Aeronautics and Space Administration (NASA) adalah badan independen dari Pemerintah Federal Amerika Serikat yang menggantikan National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). Ini bertanggung jawab atas program luar angkasa sipil, serta penelitian aeronautika dan kedirgantaraan. Visinya adalah "Menemukan dan memperluas pengetahuan untuk kepentingan umat manusia." Nilai intinya adalah "keselamatan, integritas, kerja tim, keunggulan, dan inklusi." NASA melakukan penelitian, mengembangkan teknologi, dan meluncurkan misi untuk menjelajahi dan mempelajari Bumi, tata surya, dan alam semesta di luarnya. Ini juga bekerja untuk memajukan keadaan pengetahuan dalam berbagai bidang ilmiah, termasuk ilmu Bumi dan luar angkasa, ilmu planet, astrofisika, dan heliofisika, dan bekerja sama dengan perusahaan swasta dan mitra internasional untuk mencapai tujuannya.
Laboratorium Propulsi Jet NASA.
Relokasi
Proses para peneliti dimulai dengan chip optik silikon yang dibuat menggunakan teknik manufaktur konvensional. Pada chip silikon terpisah, mereka menumbuhkan film silikon nitrida yang tipis dan fleksibel, di mana mereka menyimpan niobium nitrida superkonduktor dalam pola yang berguna untuk deteksi foton. Di kedua ujung detektor yang dihasilkan, mereka menyimpan elektroda emas.
Kemudian, di salah satu ujung film silikon nitrida, mereka menempelkan tetesan kecil polidimetilsiloksan, sejenis silikon. Mereka kemudian menekan probe tungsten, biasanya digunakan untuk mengukur voltase dalam chip eksperimental, terhadap silikon.
“Ini hampir seperti Silly Putty,” kata Englund. “Anda meletakkannya, itu menyebar dan membuat area kontak permukaan yang tinggi, dan ketika Anda mengambilnya dengan cepat, itu akan mempertahankan area permukaan yang luas itu. Dan kemudian rileks kembali sehingga kembali ke satu titik. Ini seperti jika Anda mencoba mengambil koin dengan jari Anda. Anda menekannya dan mengambilnya dengan cepat, dan tak lama kemudian, itu akan jatuh.”
Dengan probe tungsten, para peneliti mengupas film dari substratnya dan menempelkannya ke chip optik.
Dalam susunan sebelumnya, detektor hanya mencatat 0,2 persen dari foton tunggal yang diarahkan ke mereka. Bahkan detektor on-chip yang disimpan secara individual secara historis mencapai sekitar 2 persen. Tetapi detektor pada chip baru para peneliti mencapai 20 persen. Itu masih jauh dari 90 persen atau lebih yang dibutuhkan untuk sirkuit kuantum praktis, tetapi ini adalah langkah besar ke arah yang benar.
“Pekerjaan ini adalah tur teknis,” kata Robert Hadfield, profesor fotonik di Glasgow, Skotlandia, Universitas Glasgow adalah universitas riset publik yang didirikan pada 1451 menjadikannya universitas tertua keempat di dunia. dunia berbahasa Inggris. Sebagai universitas intensif penelitian, universitas ini adalah anggota dari Russell Group, Universitas 21, dan Guild of European Research-Intensive Universities.
University of Glasgow yang tidak terlibat dalam penelitian. “Ada potensi skala -hingga sirkuit besar yang membutuhkan ratusan detektor menggunakan teknologi pick-and-place komersial.”
Publikasi : Faraz Najafi, dkk., “Deteksi pada chip cahaya non-k
lasik dengan integrasi terukur dari detektor foton tunggal,” <em>Nature Communications</em> adalah peer-review, open-access, jurnal ilmiah multidisiplin yang diterbitkan oleh Nature Portfolio. Ini mencakup ilmu-ilmu alam, termasuk fisika, biologi, kimia, kedokteran, dan ilmu bumi. Itu mulai diterbitkan pada tahun 2010 dan memiliki kantor editorial di London, Berlin, Kota New York, dan Shanghai.
Nature Communications 6, Nomor artikel: 5873; doi:10.1038/ncomms6873
Gambar: Courtesy of Nature Communications
