الفوتونيات الكمومية المتكاملة

تستخدم الفوتونيات الكمومية المتكاملة الدوائر الضوئية المتكاملة للتحكم في الحالات الكمومية الضوئية لتطبيقات في التقنيات الكمومية . ^{[ 1 ] [ 2 ]} وبذلك، توفر الفوتونيات الكمومية المتكاملة نهجًا واعدًا لتصغير وتوسيع نطاق الدوائر الكمومية الضوئية . ^{[ 3 ]} يتمثل التطبيق الرئيسي للفوتونيات الكمومية المتكاملة في التكنولوجيا الكمومية ، على سبيل المثال: الحوسبة الكمومية ، ^{[ 4 ]} والاتصالات الكمومية ، والمحاكاة الكمومية ، ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} والمسارات الكمومية ^{، [ 9 ] [ 10 ]} والقياس الكمومي . ^{[ 11 ]}

لم يُنظر إلى البصريات الخطية كمنصة تكنولوجية محتملة للحوسبة الكمومية حتى العمل الرائد الذي قام به كل من كنيل، لافلام، وميلبورن ^{[ 12 ]} ، والذي أثبت جدوى الحواسيب الكمومية البصرية الخطية باستخدام الكشف والتغذية الأمامية لإنتاج بوابات ثنائية الكيوبت حتمية. بعد ذلك، أُجريت عدة تجارب عملية لإثبات مبدأ عمل بوابات ثنائية الكيوبت في البصريات التقليدية ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} . وسرعان ما اتضح أن البصريات المتكاملة يمكن أن توفر تقنية تمكينية قوية لهذا المجال الناشئ ^{[ 16 ]} . وقد أثبتت التجارب المبكرة في البصريات المتكاملة جدوى هذا المجال من خلال عروض توضيحية للتداخل غير الكلاسيكي والكلاسيكي عالي الوضوح. تُستخدم عادةً مكونات بصرية خطية، مثل الموصلات الاتجاهية (التي تعمل كمقسمات حزم بين أنماط الموجات الدليلية)، ومغيرات الطور لتشكيل مقاييس تداخل ماخ-زيندر المتداخلة ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} ، لترميز كيوبت في درجة الحرية المكانية. أي أن فوتونًا واحدًا يكون في حالة تراكب بين موجتين دليليتين، حيث تتوافق حالتا الصفر والواحد للكيوبت مع وجود الفوتون في إحدى الموجتين الدليليتين. تُدمج هذه المكونات الأساسية لإنتاج هياكل أكثر تعقيدًا، مثل بوابات التشابك والدوائر الكمومية القابلة لإعادة التشكيل. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وتتحقق إمكانية إعادة التشكيل عن طريق ضبط مغيرات الطور، التي يتم التحكم بها باستخدام عناصر حرارية أو كهروضوئية. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

مجال بحثي آخر ستثبت فيه البصريات المتكاملة أهميتها المحورية هو الاتصالات الكمومية، وقد تميز بتطوير تجريبي مكثف يوضح، على سبيل المثال، توزيع المفاتيح الكمومية (QKD)، ^{[ 26 ] [ 27 ]} والمرحلات الكمومية القائمة على تبادل التشابك، والمكررات الكمومية.

منذ نشأة البصريات الكمومية المتكاملة ، تنوعت التجارب من عروض تكنولوجية، مثل مصادر الفوتونات المفردة المتكاملة ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} وكواشف الفوتونات المفردة المتكاملة ^{[ 31 ]} ، إلى اختبارات أساسية للطبيعة ^{[ 32 ] [ 33 ]} ، وطرق جديدة لتوزيع المفاتيح الكمومية ^{[ 34 ]} ، وتوليد حالات كمومية جديدة للضوء ^{[ 35 ]} . كما ثبت أن جهازًا متكاملًا واحدًا قابلًا لإعادة التشكيل يكفي لتطبيق مجال البصريات الخطية بالكامل، باستخدام مقياس تداخل عالمي قابل لإعادة التشكيل ^{[ 20 ] [ 36 ] [ 37 ]} .

مع تطور هذا المجال، تم تطوير خوارزميات كمومية جديدة توفر مسارات قصيرة وطويلة الأجل لإثبات تفوق الحواسيب الكمومية على نظيراتها التقليدية. ويُعتبر حساب حالة التجمع الكمومي الآن النهج المُعتمد لتطوير حاسوب كمومي متكامل. ^{[ 38 ]} وبينما يتطلب تطوير الحاسوب الكمومي دمج العديد من جوانب البصريات المتكاملة، تسعى خوارزمية أخذ عينات البوزونات ^{[ 39 ]} إلى إثبات قوة معالجة المعلومات الكمومية باستخدام تقنيات متاحة بسهولة، ولذلك فهي خوارزمية واعدة للغاية على المدى القريب لتحقيق ذلك. في الواقع، بعد فترة وجيزة من طرحها، أُجريت عدة تجارب صغيرة النطاق أثبتت فعالية خوارزمية أخذ عينات البوزونات ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ].}

علم الفوتونات الكمومية هو علم توليد الضوء ومعالجته وكشفه في نطاقاتٍ يُمكن فيها التحكم بشكلٍ متماسك في كميات الضوء الفردية (الفوتونات). ^{[ 44 ]} تاريخيًا، كان لعلم الفوتونات الكمومية دورٌ أساسي في استكشاف الظواهر الكمومية، كما في مفارقة إي بي آر وتجارب بيل التجريبية . ^{[ 45 ] [ 46 ]} ومن المتوقع أيضًا أن يلعب علم الفوتونات الكمومية دورًا محوريًا في تطوير التقنيات المستقبلية، مثل الحوسبة الكمومية ، وتوزيع المفاتيح الكمومية ، والقياس الكمومي . ^{[ 47 ]} تُعد الفوتونات ناقلاتٍ جذابةً للمعلومات الكمومية نظرًا لانخفاض خصائص فقدان الترابط فيها، وانتقالها بسرعة الضوء، وسهولة معالجتها. تضمنت تجارب الفوتونات الكمومية تقليديًا تقنية "البصريات الضخمة" - وهي عبارة عن مكونات بصرية فردية (عدسات، ومقسمات حزم ضوئية، وما إلى ذلك) مثبتة على طاولة بصرية كبيرة ، بكتلة إجمالية تبلغ مئات الكيلوغرامات.

يُعدّ تطبيق الدوائر الضوئية الكمومية المتكاملة في مجال الفوتونيات الكمومية ^{[ 1 ] خطوةً هامةً في تطوير تكنولوجيا كمومية فعّالة. وتُقدّم الدوائر الضوئية أحادية الرقاقة المزايا التالية مقارنةً بالبصريات التقليدية:}

1. التصغير - يتم تقليل الحجم والوزن واستهلاك الطاقة بمقدار عدة مراتب بفضل صغر حجم النظام.
2. الاستقرار - تُنتج المكونات المصغرة المصنعة بتقنيات الطباعة الحجرية المتقدمة موجهات ومكونات مستقرة الطور بطبيعتها (متماسكة) ولا تتطلب محاذاة بصرية.
3. حجم التجربة - يمكن دمج أعداد كبيرة من المكونات البصرية في جهاز يبلغ قياسه بضعة سنتيمترات مربعة.
4. قابلية التصنيع - يمكن تصنيع الأجهزة بكميات كبيرة بتكلفة أقل بكثير.

وبفضل اعتمادها على تقنيات تصنيع متطورة، فإن العناصر المستخدمة في الفوتونيات الكمومية المتكاملة قابلة للتصغير بسهولة أكبر، ويمكن تصنيع المنتجات القائمة على هذا النهج باستخدام عمليات وأساليب الإنتاج الحالية.

يمكن تحقيق التحكم في الفوتونات باستخدام أجهزة متكاملة يمكن تصنيعها في ركائز مواد متنوعة مثل السيليكا والسيليكون وأرسينيد الغاليوم ونيوبات الليثيوم وفوسفيد الإنديوم ونيتريد السيليكون .

تعتمد تقنيات التصنيع التقليدية على عمليات الطباعة الضوئية ، التي تتيح تصغيرًا كبيرًا وإنتاجًا ضخمًا. وفي تطبيقات البصريات الكمومية، لعب النقش المباشر للدوائر باستخدام ليزرات الفيمتو ثانية ^{[ 53 ]} أو ليزرات الأشعة فوق البنفسجية ^{[ 17 ]} دورًا هامًا؛ فهذه تقنيات تصنيع منخفضة الحجم، ملائمة بشكل خاص لأغراض البحث حيث يجب اختبار التصاميم الجديدة بسرعة.

مع ذلك، لا تُعدّ الموجهات المكتوبة بالليزر مناسبة للإنتاج الضخم والتصغير نظرًا لطبيعة تقنية الكتابة التسلسلية، وانخفاض تباين معامل الانكسار الذي تسمح به هذه المواد، على عكس دوائر الفوتونيات المصنوعة من السيليكون. وقد أثبتت الدوائر الكمومية المكتوبة بليزر الفيمتو ثانية ملاءمتها بشكل خاص للتحكم في درجة حرية الاستقطاب ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]} ، ولإنشاء دوائر بتصاميم ثلاثية الأبعاد مبتكرة ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]} . تُشفّر المعلومات الكمومية على الشريحة إما في مسار الفوتون أو استقطابه أو فاصله الزمني أو حالته الترددية، ويتم التحكم بها باستخدام مكونات متكاملة نشطة بطريقة مدمجة ومستقرة.

على الرغم من استخدام نفس المكونات الأساسية في الدوائر المتكاملة الضوئية الكلاسيكية في ميكانيكا الكم ، إلا أن هناك بعض الاختلافات العملية. ولأن تضخيم حالات الكم أحادية الفوتون غير ممكن ( نظرية عدم الاستنساخ )، فإن الفقد يمثل الأولوية القصوى في مكونات الفوتونيات الكمومية.

تُبنى مصادر الفوتونات المفردة من وحدات بناء أساسية (موجهات ضوئية، ومقرنات اتجاهية، ومغيرات طور). عادةً، توفر رنانات الحلقة الضوئية ، وأجزاء الموجات الضوئية الطويلة تفاعلاً غير خطي متزايدًا لتوليد أزواج الفوتونات، على الرغم من إحراز تقدم أيضًا في دمج مصادر الفوتونات المفردة لأنظمة الحالة الصلبة القائمة على النقاط الكمومية ، ومراكز النيتروجين-الفراغ مع دوائر الفوتونات الموجية. ^{[ 62 ]}

• الحوسبة الكمومية البصرية الخطية
• المعلومات الكمومية
• توزيع المفاتيح الكمومية
• قائمة الشركات العاملة في مجال الحوسبة الكمومية أو الاتصالات الكمومية
• قائمة المعالجات الكمومية

• مشروع QUCHIP
• مشروع 3D-QUEST مؤرشف بتاريخ 9 مارس 2016 على موقع Wayback Machine
• مركز الفوتونيات الكمومية، جامعة بريستول
• Fast Group، Istituto di Fotonica e Nanotecnologie، Consiglio Nazionale delle Ricerche أرشفة 2016-01-29 في آلة Wayback.
• البصريات الكمية المتكاملة، جامعة بادربورن
• تقنيات الكم المتكاملة، جامعة غريفيث