پژوهش‌گران برای برطرف کردن نقص‌هایی که معمولا ساختارهای نانوی نیمه‌رسانا را از گسیل کردن فوتون‌های درهم‌تافته بازمی‌دارند، تركيبي از میدان الکتریکی و تنش مکانیکی را بر سامانه‌اي از نقطه‌های کوانتومی، اعمال كرده‌‌اند.

درهم‌تافته‌گی مکانیک کوانتومی را از مکانیک کلاسیک متمايز مي‌كند و از همين رو، عنصر اصلي در بیش‌تر کاربردهای دانش اطلاعات  کوانتومی‌ست. پیش از این، درهم‌تافته‌گی زمینه‌‌ساز آزمایش‌های بنیادی بسیاری بر مکانیک کوانتومی بوده، اسباب ارتباطاتی امنی به‌دست‌داده، انجام یک سری محاسبات را با استفاده‌ از الگوریتم‌هایی که هیچ کامپیوتر کلاسیکی قادر به اجرایشان‌ نبود، ممکن ساخته، و پیش‌رفت‌هایی در تصویر‌برداری و حس‌گرهای نوری به ‌وجود آورده‌است [۱].

یک جفت فوتون درهم‌تافته، را می‌توان به‌صورت فیزیکی از هم جدا کرد، اما مشخصه‌های کوانتومی آن‌ها هم‌چنان در یک‌دیگر قفل‌‌شده باقي می‌مانند. مثلا هر اندازه‌گیری بر قطبش یکی از فوتون‌ها، خودبه‌خود قطبش دیگری را تعیین می‌کند. امروزه، در بیش‌تر آزمایش‌ها، فوتون‌های درهم‌تافته‌ی لازم را با یک فرآیند ضعیف تغییر خودبه‌خودی فرکانس در یک بلور غیرخطی تولید‌ می‌کنند؛ در این فرآیند، فوتون مادر به دو فوتون دختر درهم‌تافته‌ تبدیل می‌شود که طول‌موج‌ هرکدام بلندتر از طول‌موج مادراست. برای این کار به یک لیزر پمپی با شدت بالا، و  در خروجی به غربال شدید طیفی و فضایی، نیاز است. اگر این فرآیند با قدرت پایینی انجام شود، در بیش‌تر نوبت‌ها فوتون‌های تولید‌شده درهم‌تافته نبوده و اگر قدرت پمپ بسیار بالا باشد، جفت‌فوتون‌های بسیار زیادی گسیل می‌شوند. بنیادی‌ترین مشکل در راه گسترش فن‌آوری‌های داده‌‌های کوانتومی‌ ِ برپایه‌ی فوتون‌های جفت‌شده، آمار این فرآیند‌ است؛ و نکته آن‌جاست که تنها با گسترش این فن‌آوری‌ها می‌توان به رقابت با نمونه‌های مشابه کلاسیکی‌ برخواست.

اما تمام منابع درهم‌تافته‌گی با آمار مشابهی دست‌ به گریبان نیستند. با فرآیند فروریزی اتمی که در آن اتم در هر واپاشی دو فوتون تولید می‌کند، می‌توان در هر آن، تقریبا تنها و تنها یک جفت ِ‌ درهم‌تافته‌‌ درست‌کرد. برای آن‌که در این فرآیند فوتون‌های گسیل شده از نظر تمام درجات آزادی‌شان، معمولا قطبش، تفکیک‌ناپذیر بمانند، تقارن‌های اتمی بسیار مهم خواهند بود. در سال ۲۰۰۰، الیور بیسون و هم‌کاران [۳]، به فرآیند مشابهی که می‌توانست در نقطه‌ی کوانتومی نیمه‌رسانا رخ دهد، اشاره کردند. به دلایل فراوانی، برای تولید تک‌جفت‌های درهم‌تافته‌، منبع نیمه‌رسانا را  به اتم‌های گیرافتاده ترجیح می‌دهیم. به علاوه یک ریزتراشه‌ی دماپایین می‌تواند دربردارنده‌ی دسته‌ای از منابع که هرکدام، در هر آن، تنها یک جفت فوتون درهم‌تافته تولید می‌کنند، باشد؛ و در نتیجه می‌تواند جای‌گزین مناسبی برای ساختارهای حجیمی که ممکن است در شرایطی دیگر در روش اتم گیرافتاده استفاده شوند، باشد. متاسفانه رویای منابع نیمه‌رسانا برای تولید هم‌تافته‌گی به سرعت با مشکل روبه‌رو شد: به علت کم‌بود تقارن‌های اتم‌مانند در نقطه‌های کوانتومی واقعی، اولین تلاش‌های تولید جفت فوتون‌های درهم‌تافته در این فن‌آوری ناکام ماندند[۴].

به خاطر روش تولید فوتون‌ها، تقارن اهمیت بالایی می‌یابد. این فرآیند با تولید اکسیتون‌ها که حالات مقید کوتاه‌مدت الکترون رسانش و حفره‌ی والانس می‌باشند، شروع می‌شود. ممکن است این حالت‌ها به صورت نوری یا الکتریکی پمپاژ شوند. ممکن است حالتی که در آن یک جفت اکسیتون نقطه را اشغال می‌کنند، به صورت طیفی انتخاب گردد. از آن‌جا که این دو اکسیتون نقطه‌ی محدود شده‌ی یک‌سانی را اشغال می‌کنند، حالت‌های پایه‌شان تابع‌موج فضایی مشابه و با توجه به اصل طرد پاولی، اسپین‌های مخالف خواهند داشت؛ و زمانی‌‌که الکترون‌ها و حفره‌‌های دو اکسیتون با هم ترکیب می‌شوند، قطبش دو فوتون گسیل شده که با اسپین اکسیتون‌ها هم‌بسته‌اند، مخالف هم خواهند بود. اگر این دو فوتون از نظر طول‌موج هم تفکیک‌ناپذیر باشند، آ‌ن‌گاه درهم‌تافته‌ی‌قطبشی‌‌اند. به‌هرروی، نقص‌های نقطه‌های کوانتومی می‌توانند انرژی هرکدام از این حالت‌های اکسیتونی را تغییر داده و منجر به هم‌بسته‌گی نامطلوبی میان قطبش هر فوتون و طول‌موج گسیل‌اش شود و این اثر بدی روی درهم‌تافته‌گی دارد. نمودار انرژی یک نقطه‌ی نقص‌دار، می‌تواند به علت جفت‌شده‌گی‌های اکسیتون‌ها پیچیده باشد.

برای به‌بود بخشیدن به درهم‌تافته‌گی باید انرژی هر دو حالت اسپینی اکسیتون جفت شوند. نقص‌هایی که تبه‌گنی اسپینی در نقطه‌های کوانتومی InGaAs را برهم می‌زنند، به صورت تصادفی و به‌خاطر تنش‌ها ایجاد می‌شوند و به سختی می‌توان از دست آن‌ها رها شد. پژوهش‌گران در گذشته با روش‌های اصلاح پس از رشد، مانند افزودن تنش [۵]، میدان‌های مغناطیسی dc[۶]، میدان‌های الکتریکي dc[۷]، و میدان‌های نوری [۸]، به تولید اسپین‌های تبه‌گن و در نتیجه درهم‌تافته‌گی پرداخته‌اند. باوجود این تصحیح‌ها آینده‌ی رویای تولید آرایه‌های بزرگ من‍ابع نقطه‌ای کوانتومی، مبهم است؛ چراکه این روش‌های اصلاح تنها برای نقطه‌های اندکی کار می‌کنند، مثلا آن‌هایی که نقص‌شان با عامل استفاده شده، جور در می‌آید.

بنابر گزارش رینالدو تروتا و هم‌کاران از موسسه‌ی تحقیقاتی مواد و حالت جامد لایبنیتز در آلمان، این گروه به این پیش‌رفت که به جای یک، از دو عامل استفاده‌کنند، دست یافته‌اند [۲]. با این ترکیب می‌توان تبه‌گنی اسپینی اکسیتون را  تقریبا در هر نوع نقطه اصلاح کرد؛ در این طراحی جدید، اولین عامل یک میدان الکتریکی dc در راستای رشد نقطه (که در شکل ۱ با صفحه‌های فلز و باتری نمایش داده‌ شده‌است) می‌باشد. این گروه پژوهشی با رشد دادن نقطه در ساختاری دیود مانند به این میدان می‌رسد. دومین عامل، تنشی مکانیکی‌ست که در جهت عمود بر میدان dc (در شکل ۱ با یک گیره نشان داده شده‌است) وارد می‌شود. این تنش با محرک‌های فیزوالکتریکی که در ارتباط مکانیکی با این دست‌گاه‌اند، پخش می‌شود. بنا بر توضیح نویسنده‌گان، اساس کار این دست‌گاه این است که عامل اولی جهت اختلال ِ مخرب ِ درهم‌تافته‌گی را تعیین کرده و دیگری دامنه‌‌اش را تنظیم می‌کند. این گروه برای اثبات این حرف میدان الکتریکی و تنش را تغییر داده و انرژی و قطبش فوتون‌های گسیل‌شده از چند نوع نقطه‌‌ی کوانتومی را اندازه‌گیری کردند. سپس این مشاهدات را با یک مدل ساده اما رایج بررسی کردند. هرچند با این آزمایش‌ها واقعا به درهم‌تافته‌گی نرسیدند، نتیجه‌ها نشان می‌دهند که  تبه‌گنی لازم برای خلق جفت فوتون‌های درهم‌تافته به‌دست آمده‌است. کارهای پیشین [۵، ۶ ،۷، ۸] شکی بر جای نمی‌گذارند که این دست‌گاه ِ دوعامله می‌تواند درهم‌تافته‌گی تولید کند.

به هرروی ساختن جفت‌های درهم‌تنیده‌ با به‌کار بستن ِ نقطه‌های کوانتومی نیمه‌رسانا هم‌چنان تلاش فراوانی می‌خواهد. برای داشتن یک منبع موثر باید فوتون‌های گسیل‌شده تنها در یک جهت دل‌خواه باشند؛ این مشکلی‌ست که با افزودن خلاهای میکرونی حل خواهد شد. هم‌چنان باید به بسیاری مشکلات مهندسی پرداخت؛ مانند مدیریت جای‌گزینی نقطه‌های کوانتومی با بازده بالا [۹]، انتخاب روش پمپاژ الکتریکی [۷]، و یافتن سازوکاری برای جبران ناهم‌گنی بالای فوتون‌ها در دست‌گاه‌های مختلف [۱۰]. برای پیروزی بر این دشواری‌ها هم‌چنان باید به‌ پژوهش پرداخت. اما به سبب بهینه‌گی منابع فوتون‌های درهم‌تنیده، این تلاش‌ها بی‌فایده نخواهند بود؛ چراکه به واقعیت پیوستن فن‌آوری‌های ِ برپایه‌ی ِ درهم‌تافته‌گی با کاربردهایی در اندازه‌گیری و داده‌های کوانتومی، خود انقلاب بزرگی‌ست.

منبع:

http://physics.aps.org/articles/v5/109

مرجع‌ها:

1. J. L. O’Brien, A. Furusawa, and J. Vuckovic, “Photonic Quantum Technologies,” Nature Photon. 3, 687 (2009).
2. R. Trotta, E. Zallo, C. Ortix, P. Atkinson, J. D. Plumhof, J. van den Brink, A. Rastelli, and O. G. Schmidt, ”Universal Recovery of the Energy-Level Degeneracy of Bright Excitons in InGaAs Quantum Dots without a Structure Symmetry,” Phys. Rev. Lett. 109, 147401 (2012).
3. O. Benson, C. Santori, M. Pelton, and Y. Yamamoto, “Regulated and Entangled Photons from a Single Quantum Dot,” Phys. Rev. Lett. 84, 2513 (2000).
4. C. Santori, D. Fattal, M. Pelton, G. S. Solomon, and Y. Yamamoto, “Polarization-Correlated Photon Pairs from a Single Quantum Dot,” Phys. Rev. B 66, 045308 (2002).
5. C. E. Kuklewicz, R. N. E. Malein, P. M. Petroff, and B. D. Gerardot, “Electro-Elastic Tuning of Single Particles in Individual Self-Assembled Quantum Dots,” Nano Lett. 12, 3761 (2012).
6. A. J. Hudson et al., “Coherence of an Entangled Exciton-Photon State,” Phys. Rev. Lett. 99, 266802 (2007).
7. A. J. Bennett and et al, “Electric-Field-Induced Coherent Coupling of the Exciton States in a Single Quantum Dot,” Nature Phys. 6, 947 (2010); R. M. Stevenson et al., “Indistinguishable Entangled Photons Generated by a Light-Emitting Diode,” Phys. Rev. Lett. 108, 040503 (2012).
8. A. Muller, W. Fang, J. Lawall, and G. S. Solomon, “Creating Polarization-Entangled Photon Pairs from a Semiconductor Quantum Dot Using the Optical Stark Effect,” Phys. Rev. Lett. 103, 217402 (2009).
9. C. Schneider et al., “Single Site-Controlled In(Ga)As/GaAs Quantum Dots: Growth, Properties and Device Integration,” Nanotechnology 20, 434012 (2009).
10. R. B. Patel et al., “Two-photon Interference of the Emission from Electrically Tunable Remote Quantum Dots,” Nature Photon. 4, 632 (2010); E. B. Flagg et al., “Interference of Single Photons from Two Single Photons from Two Separate Semiconductor Quantum Dots,” Phys. Rev. Lett. 104, 137401 (2010).