Олон жилийн “гол саад” юунд байсан бэ
Сүүлийн хэдэн арван жилийн турш инженерүүд гэрлийг электроник шиг нарийн удирдаж сурахдаа атомын цаг, интернэтийн магистраль шугам, өгөгдлийн төв зэрэгт ашиглагдах оптик технологиудыг хөгжүүлсэн. Гэвч нэг суурь асуудал шийдэгдээгүй хэвээр байлаа. Нэг лазерын өнгийг тогтвортой, олон шинэ өнгө болгон хувиргах чадвартай, микрочип дээр шууд нэгтгэж болох авсаархан гэрлийн эх үүсвэрийг “хэцүү тохируулгагүйгээр” хэрхэн хийх вэ гэдэг нь удаан хугацаанд бэрхшээл болж ирсэн.
JQI-ийн шинэ ажил: олон гармоникийг пассиваар “гаргаж” чаджээ
Joint Quantum Institute (JQI)-ийн судлаачид энэ асуудалд шийдэл санал болгосноо мэдээлжээ. Science сэтгүүлд нийтлэгдсэн ажлаар тэд фотон чипүүдийг туршиж, оролтын гэрлийн давтамжийг хоёр дахин, гурван дахин, бүр дөрвөн дахин өсгөсөн олон гармоникийг нэг дор найдвартай үүсгэж чадсан байна. Онцлог нь температурын идэвхтэй нөхөн тохируулга хийхгүй, дахин дахин “тааруулах” ажиллагаагүйгээр тогтвортой ажилласан гэжээ.
Яагаад “өнгө олшруулах” шаардлагатай вэ
Квант тооцоолол, хэт нарийн хэмжил зүй, синхрончлол зэрэг олон хэрэглээнд өөр өөр давтамжтай гэрэл зайлшгүй хэрэгтэй. Энэ хэрэгцээг уламжлалт аргаар хангахын тулд олон лазер зэрэг ажиллуулах шаардлагатай болдог нь системийг томруулж, төвөгтэй болгож, эрчим хүчний хэрэглээг өсгөдөг. Нэмж хэлэхэд, шаардлагатай бүх давтамжид тохирох бэлэн лазер эх үүсвэр зах зээлд байдаггүй тохиолдол ч бий.
Судлаачдын зорилго нь нэг стандарт телекоммуникацийн лазерын гэрлийг (ойролцоогоор 190 ТГц) авч, чип дээр нь шууд шинэ давтамжууд болгон хувиргах явдал байв. Үүнийг шугаман бус оптикийн үзэгдлээр хийдэг. Өндөр эрчимтэй гэрэл материалын шинжийг өөрчилж, материал нь хариуд нь гэрлийг “дахин форматлаж” шинэ давтамж үүсгэнэ. Жишээ нь хоёрдугаар гармоник үүсэхэд хоёр фотон нийлж нэг фотон болж, давтамж нь хоёр дахин өсдөг.
Гол хүндрэл: нөлөө сул, дээр нь “тааруулалт” маш нарийн
Шугаман бус нөлөө ихэвчлэн маш сул байдаг тул түүхэндээ давтамж хоёр дахин өсөх үзэгдлийг анх ажиглахад хэмжилтийн алдаа мэт андуурагдаж байсан гэдэг. Орчин үеийн фотон чипүүд энэ сул нөлөөг өсгөхийн тулд микро резонатор ашигладаг. Резонатор дотор гэрэл олон мянга, заримдаа сая удаа эргэлдэх бөгөөд эргэлт бүр багахан нөлөө нэмсээр нийлбэрээрээ хүчтэй үр дүн өгдөг.
Гэхдээ энд өөр нэг том шаардлага гарч ирдэг. Давтамжийг хоёр, гурав, дөрөв дахин өсгөхөд “давтамж-фазын тохирол” зэрэг нөхцлүүд нэгэн зэрэг хангагдах ёстой. Резонатор нь эх давтамжийг ч, шинээр үүсэх давтамжийг ч дэмжихээс гадна тэдгээр нь синхрон тархах хэрэгтэй. Үйлдвэрлэл дэх нанометрийн өчүүхэн хэлбэлзэл ч параметрийг өөрчилж, төхөөрөмжийг тогтворгүй болгож болдог тул өмнө нь инженерүүд микро халаагуур суурилуулж нарийн тааруулах шаардлагатай байсан. Энэ нь бүтэц, удирдлагыг улам төвөгтэй болгодог.
Халаагуурын оронд “хоёр цагийн масштаб” ашигласан шинэ архитектур
JQI-ийн баг асуудлыг өөр өнцгөөс шийджээ. Тэд ганц резонаторын оронд хоорондоо харилцан үйлчилдэг олон микробөгжийн массиваар бүтээгдсэн систем хэрэглэсэн байна. Ингэснээр гэрэл хоёр өөр “цагийн масштаб”-аар зэрэг хөдөлнө гэж тайлбарлажээ.
Нэгдүгээрт, гэрэл жижиг бӧгж бүрийн дотор хурдан эргэлдэнэ. Хоёрдугаарт, бүх массив нийлж үүсгэсэн “том надбөгж” дагуу харьцангуй удаан тойрог хөдөлгөөн үүснэ. Энэ давхар динамик нь фаз ба давтамжийн тохирлын нөхцөл “байгалиараа” илүү олон удаа бүрдэх боломжийг нэмэгдүүлдэг гэсэн санаа юм. Өөрөөр хэлбэл систем нэг л удаа таарахыг хүлээдэггүй, олон боломж дотроос өөрөө таарах нөхцөлийг олдог бөгөөд үүнийг идэвхтэй компенсацгүйгээр хийж чадна гэжээ.
Нэг пластин дээрх 6 чип бүгд тогтвортой ажилласан гэж мэдээлэв
Туршилтаар нэг пластин дээр үйлдвэрлэсэн зургаан өөр чип дээр хоёрдугаар, гуравдугаар, дөрөвдүгээр гармоникууд тогтвортой үүссэн байна. Оролтын давтамж ~190 ТГц үед энэ нь улаан, ногоон, цэнхэр хүрээний гэрэлтэй дүйх үр дүн үзүүлсэн гэж тайлбарлажээ. Харин дан резонаторын шийдлүүд заримдаа халаагууртай байсан ч тогтворгүй үр дүн өгч байсан гэж харьцуулан дурдсан байна.
Яагаад үүнийг “эргэлтийн мөч” гэж үзэж байна вэ
Энэ ажлын гол үнэ цэнэ нь масштаблах боломж болон давтагдах чанар юм. Өмнө нь чипүүдийн зөвхөн хэсэг нь санаанд нийцэж ажилладаг байсан бол одоо туршсан бүх загвар нэмэлт тохируулгагүйгээр шаардлагатай үр дүнг үзүүлсэн гэж мэдээлжээ. Ингэснээр олон давтамжтай гэрлийн авсаархан эх үүсвэрийг квант платформ дээр нэгтгэх, чип дээрх давтамж хувиргалтын системүүд, хэмжил зүй ба дохио синхрончлол, шугаман бус оптик тооцоолол зэрэгт ашиглах боломж тэлнэ гэж үзэж байна.
“Өөрөө таардаг” гэрлийн эх үүсвэрт ойртсон алхам
Нэг чип дээр байгалийн хоёр цагийн масштабыг зэрэг ашиглах санаа нь энгийн мэт боловч үр дагавар нь гүн байж магадгүй гэж тайлбарлажээ. Өмнө нь шинэ давтамж үүсгэх нь маш нарийн давхцал шаардах ховор тохиолдол мэт байсан бол энэ архитектур төхөөрөмж өөрөө “таарах магадлалаа” өсгөж байна гэсэн дүгнэлт гарчээ. Оптик технологи дижитал дэд бүтцийн суурь болж буй үед микрочип дээр шинэ давтамжийг тогтвортой, энгийнээр гаргах боломж нь интеграцчилсан фотоникийн дараагийн том алхам болж мэднэ гэж нийтлэлд өгүүлжээ.
