เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับแสงควอนตัม

เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับแสงควอนตัม

ควอนตัมชิปซิลิคอนที่เล็กที่สุดในโลกเครื่องตรวจจับแสง

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยในสหราชอาณาจักรได้สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการย่อขนาดของเทคโนโลยีควอนตัม โดยพวกเขาประสบความสำเร็จในการรวมเครื่องตรวจจับแสงควอนตัมที่เล็กที่สุดในโลกเข้ากับชิปซิลิคอน งานนี้มีชื่อว่า "เครื่องตรวจจับแสงควอนตัมวงจรรวมโฟโตนิกแบบอิเล็กทรอนิกส์ Bi-CMOS" ได้รับการตีพิมพ์ใน Science Advances ในทศวรรษ 1960 นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้ย่อขนาดทรานซิสเตอร์เป็นไมโครชิปราคาถูกเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นนวัตกรรมที่นำไปสู่ยุคข้อมูลข่าวสาร ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สาธิตการบูรณาการเครื่องตรวจจับแสงควอนตัมที่บางกว่าเส้นผมมนุษย์เข้ากับชิปซิลิคอนเป็นครั้งแรก ทำให้เราเข้าใกล้ยุคของเทคโนโลยีควอนตัมที่ใช้แสงมากขึ้นอีกก้าวหนึ่ง เพื่อให้ตระหนักถึงเทคโนโลยีสารสนเทศขั้นสูงรุ่นต่อไป การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกประสิทธิภาพสูงขนาดใหญ่จึงเป็นรากฐาน การผลิตเทคโนโลยีควอนตัมในโรงงานเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ถือเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับการวิจัยของมหาวิทยาลัยและบริษัทต่างๆ ทั่วโลก ความสามารถในการผลิตฮาร์ดแวร์ควอนตัมประสิทธิภาพสูงในขนาดใหญ่ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการประมวลผลควอนตัม เพราะแม้แต่การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมก็ยังต้องใช้ส่วนประกอบจำนวนมาก

นักวิจัยในสหราชอาณาจักรได้สาธิตเครื่องตรวจจับแสงควอนตัมที่มีพื้นที่วงจรรวมเพียง 80 ไมครอน x 220 ไมครอน ขนาดที่เล็กเช่นนี้ทำให้เครื่องตรวจจับแสงควอนตัมทำงานได้เร็วมาก ซึ่งจำเป็นสำหรับการปลดล็อคความเร็วสูงการสื่อสารควอนตัมและช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมออปติคัลทำงานด้วยความเร็วสูงได้ การใช้เทคนิคการผลิตที่เป็นที่ยอมรับและมีจำหน่ายในท้องตลาดช่วยให้สามารถประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยีอื่นๆ ได้ตั้งแต่เนิ่นๆ เช่น การตรวจจับและการสื่อสาร เครื่องตรวจจับดังกล่าวถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่หลากหลายในทัศนศาสตร์ควอนตัม สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง และเหมาะสำหรับการสื่อสารควอนตัม เซ็นเซอร์ที่มีความไวสูง เช่น เครื่องตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงที่ล้ำสมัย และในการออกแบบควอนตัมบางชนิด คอมพิวเตอร์

แม้ว่าเครื่องตรวจจับเหล่านี้จะเร็วและเล็ก แต่ก็มีความไวสูงเช่นกัน กุญแจสำคัญในการวัดแสงควอนตัมคือความไวต่อสัญญาณรบกวนควอนตัม กลศาสตร์ควอนตัมสร้างเสียงรบกวนระดับพื้นฐานเล็กๆ น้อยๆ ในระบบออพติคัลทั้งหมด พฤติกรรมของสัญญาณรบกวนนี้จะเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับประเภทของแสงควอนตัมที่ส่งผ่านในระบบ สามารถระบุความไวของเซ็นเซอร์ออปติคอล และสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างสถานะควอนตัมขึ้นใหม่ทางคณิตศาสตร์ได้ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการทำให้เครื่องตรวจจับแสงมีขนาดเล็กลงและเร็วขึ้นไม่ได้ขัดขวางความไวในการวัดสถานะควอนตัม ในอนาคต นักวิจัยวางแผนที่จะรวมฮาร์ดแวร์เทคโนโลยีควอนตัมที่พลิกโฉมอื่นๆ เข้ากับขนาดชิป เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ให้ดียิ่งขึ้นเครื่องตรวจจับแสงและทดสอบในการใช้งานต่างๆ ที่หลากหลาย เพื่อให้เครื่องตรวจจับมีจำหน่ายในวงกว้างมากขึ้น ทีมวิจัยจึงผลิตอุปกรณ์ดังกล่าวโดยใช้เครื่องพ่นน้ำพุที่มีจำหน่ายทั่วไป อย่างไรก็ตาม ทีมงานเน้นย้ำว่าการจัดการกับความท้าทายของการผลิตที่ปรับขนาดได้ด้วยเทคโนโลยีควอนตัมต่อไปถือเป็นสิ่งสำคัญ หากไม่มีการสาธิตการผลิตฮาร์ดแวร์ควอนตัมที่สามารถปรับขนาดได้อย่างแท้จริง ผลกระทบและประโยชน์ของเทคโนโลยีควอนตัมก็จะล่าช้าและจำกัด ความก้าวหน้าครั้งนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในการบรรลุการใช้งานขนาดใหญ่ของเทคโนโลยีควอนตัมและอนาคตของการประมวลผลควอนตัมและการสื่อสารควอนตัมนั้นเต็มไปด้วยความเป็นไปได้ไม่รู้จบ

รูปที่ 2: แผนผังของหลักการของอุปกรณ์