دو گروه مستقل از فیزیک‌پیشگان در آلمان اولین ترانزیستور نوری بهره-بالا را که می‌تواند با استفاده از یک فوتون روشن و خاموش شود، ساختند. این ابزار بر مبنای گازهای اتمی فوق سرد، از «مسدودسازی ریدبرگ» استفاده می‌کند، که به این وسیله ایجاد یک اتم در حالت به شدت برانگیخته اثر چشم‌گیری بر توانایی گازهای پیرامون برای عبور دادن نور دارد. این پژوهش می‌تواند ساخت مدارات منطقی تمام-نوری را در پی داشته باشد که می‌توانند بسیار سریع‌تر از مدارات الکترونیکی معمول عمل کنند. این ترانزیستورها می‌توانند در سامانه‌های اطلاعات-کوانتومی فوتون-محور آتی نیز کاربرد داشته باشد.

درین مسدودشده: یک فوتون ترانزیستور اتمی را روشن و خاموش می‌کند.

سامانه‌های ارتباطی و محاسباتی که تنها از نور برای انتقال و پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند‏، به صورت بالقوه می‌توانند نسبت به سامانه‌هایی که از سیگنال‌های الکترونیکی استفاده می‌کنند، سریع‌تر بوده و بهره-انرژی بالاتری داشته باشند. با وجود آنکه ارتباطات مبتنی بر فیبر-نوری در همه جا گسترش یافته است، تغییر و پردازش داده‌هایی که به شکل نوری کدگذاری شده‌اند، معمولاَ با تبدیل پالس‌های نور به سیگنال الکتریکی انجام می‌شود‏، که آن‌گاه به سادگی قابل پردازش می‌شود. سپس سیگنال الکتریکی دوباره به پالس نوری تبدیل می‌شود.

وادار کردن فوتون‌ها به برهم‌کنش

این فرایندِ زمان‌بر و انرژی‌بر ضروری است زیرا فوتون‌ها برای برهم‌کنش با یکدیگر آماده نیستند، که این امر طرح مولفه‌های تمام‌نوری را به چالشی بزرگ تبدیل می‌کند‏، که در حال حاضر فیزیک‌پیشگان و مهندسان در حال کار روی آن هستند. طی چند سال اخیر، چند گروه تحقیقاتی با نشان دادن آن که در نمونه‌هایی از گازهای اتمی فوق سرد که به طور ویژه آماده شده‌اند، می‌توان فوتون‌ها را مجبور به برهم‌کنش با یکدیگر ساخت به یافته‌های مهمی در این حوزه دست یافته‌اند.

حال، دو گروه مستقل به سرپرستی Sebastian Hofferberth از دانشگاه اشتوتگارت و Stephan Dürr از مؤسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک نزدیک مونیخ ادواتی را ساخته‌اند که در آن تک فوتون «گیت» می‌تواند جریانی از 20 فوتون را خاموش کند. این بهره 20 پیشرفتی عظیم در اقدامات پیشین در زمینه سوئیچ‌های نوری است که برای رسیدن به بهره بالاتر از یک، یا به پالس‌هایی از چندین فوتون گیت نیاز داشتند یا برای فوتون‌های تک-ورودی بهره‌های کم‌تر از یک داشتند.

هر دو تیم گیت‌های خود را بر گازهایی از اتم‌های روبیدیم بنا نهادند که تا دمای 1 میلی کلوین خنک می‌شدند. معمولاَ، این گاز نسبت به باریکه‌ای از فوتون‌های «منبع» شفاف است که می‌تواند در سرتاسر ابزار حرکت کند و توسط «درین» ظاهر گردد. گیت، منبع و درین عبارت‌هایی هستند که به ترتیب برای کانال‌های کنترل، ورودی و خروجی یک ترانزیستور رایج اثر میدان استفاده می‌شود.

مسدود کردن درین

هنگامی که فوتون گیت به داخل گاز پرتاب می‌شود، توسط یک اتم جذب می‌شود و موجب می‌شود اتم در حالت ریدبرگ بسیار برانگیخته‌ای با یک الکترون با مداری بسیار بزرگ قرار گیرد. فاصله زیاد بین الکترون و هسته به اتم اندازه حرکت دوقطبی الکتریکی بزرگی می‌دهد که سطوح انرژی اتم‌های همسایه را جابه‌جا می‌کند. این جابه‌جایی باعث می‌شود گاز نسبت به نوری که از منبع آمده، کدر باشد و به طور مؤثری ترانزیستور را در حالت خاموش قرار می‌دهد. حالت ریدبرگ به مدت حدود 1 میکروثانیه دوام می‌‌آورد که برای سیستم اتمی زمانی بسیار زیاد است. این اتفاق به Durr و هم‌کارانش اجازه داد از ترانزیستورهای خود برای خاموش کردن جریان 20 فوتون منبع استفاده کنند، در حالی که گروه Hofferberth مانع از رسیدن 10 فوتون از درین ابزار خود شدند.

Durr می‌گوید: «این اثر باید تجزیه این ترانزیستورها را (حداقل در اصل) برای حل مسائل محاسباتی پیچیده امکان‌پذیر کند». او هم‌چنین اشاره کرد که این آزمایش روش‌های جدید و غیرمخربی را برای مطالعه فیزیک حالت‌های ریدبرگ در اختیار فیزیک‌پیشگان نهاد. به علاوه توانایی کارکرد در سطح تک‌فوتون به این معنا است که این ترانزیستورها می‌توانند در موضوعات اطلاعات-کوانتومی مانند سیستم‌های ارتباط-کوانتومی یا رایانه‌های کوانتومی قدرتمند کاربرد پیدا کنند.

جنبه جالب دیگر این وسیله آن است که وقتی حالت ریدبرگ نابود می‌شود‏، فوتون گیت دوباره توسط گاز ساطع می‌گردد (اثری که در سایر آزمایش‌ها مشاهده شده است). در اصل، این بدان معنا است که این ترانزیستور می‌توانند به عنوان ابزارهای ذخیره‌سازی برای اطلاعات کوانتومی استفاده شوند).

هر دو آزمایش به صورت جدا در Physical Review Letters شرح داده شده‌اند.

نویسنده: Hamish Johnston ویراستار physicsworld.com.

منبع: High-gain optical transistors flipped by just one photon