Kuantum ağlarda CrSBr çip devrimi: Mikrodalgaları ve ışığı birleştiriyor

New York Şehir Koleji (CCNY) Nano ve Mikro Fotonik Laboratuvarı araştırmacıları, kuantum işlemcilerde kullanılan mikrodalga sinyalleri fiber optik ağlarda taşınabilecek optik sinyallere dönüştürmeye yönelik yeni bir yöntem geliştirdi. Prof. Vinod M. Menon ve Dr. Pratap Chandra Adak liderliğindeki ekip, krom sülfür bromür (CrSBr) olarak bilinen katmanlı manyetik yarı iletkenden yararlandı. Çalışma, kuantum işlemciler ile uzun mesafeli optik iletişim sistemleri arasındaki frekans uyumsuzluğunun giderilmesine yönelik yeni bir malzeme tabanlı yaklaşım ortaya koyuyor.

FREKANS KÖPRÜSÜ

Mevcut kuantum işlemcilerin önemli bir bölümü mikrodalga frekanslarında çalışırken, uzun mesafeli iletişimde düşük kayıpla veri taşımak için optik fiberlerden yararlanılıyor. Bu iki sistem arasındaki frekans farkı, ölçeklenebilir kuantum ağlarının kurulmasının önündeki temel mühendislik sorunlarından biri olarak görülüyor. CCNY ekibi bu farkı aşmak için CrSBr kristalinin aynı yapıda hem manyetik hem de optik etkileşimler gösterebilme özelliğinden yararlandı. Böylece mikrodalga alanında üretilen bilginin optik sinyale aktarılabileceği tek malzemeli bir arayüz oluşturuldu.

MAGNON-EKSİTON ETKİLEŞİMİ

CrSBr içindeki manyetik momentler mikrodalga sinyaliyle uyarıldığında toplu hareket ederek “magnon” olarak adlandırılan yarı parçacıkları oluşturuyor. Bu manyetik uyarımlar, kristalin optik özelliklerini belirleyen “eksiton” yapılarıyla etkileşime giriyor. Araştırmacılar, bu etkileşim sayesinde mikrodalga sinyalindeki bilginin kristalden yansıyan lazer ışığına aktarılabildiğini gösterdi. Böylece mikrodalga ve optik alanlar arasında doğrudan bir bağlantı kurularak iki farklı frekans rejiminin aynı malzeme üzerinden birbirine bağlanması sağlandı.

300 MHZ BANT

Dönüşüm yaklaşık 300 megahertzlik bir mikrodalga bant genişliğinde gerçekleştirildi. Çalışma frekansı, harici manyetik alanın değiştirilmesiyle dinamik biçimde ayarlanabiliyor. Sistemin dikkat çeken özelliklerinden biri de mikrodalga veya optik tarafta karmaşık rezonatör yapılarına ihtiyaç duymadan çalışabilmesi. Araştırmacılar dönüşümü doğrudan kütle CrSBr kristali üzerinde gösterdi. Rezonatör gereksiniminin ortadan kalkması, deneysel mimarinin sadeleştirilmesine ve farklı donanım tasarımlarına uyarlanmasına imkan tanıyor.

ÇİP ENTEGRASYONU

CrSBr’nin atomik ölçekte birkaç katmana kadar inceltilebilmesine rağmen manyetik ve optik özelliklerini koruyabilmesi, malzemeyi çip üstü kuantum sistemleri açısından da dikkat çekici hale getiriyor. İnce katmanlı yapı, kuantum donanımlarının daha küçük alanlara yerleştirilmesine ve farklı fotonik ya da elektronik bileşenlerle aynı platformda bütünleştirilmesine imkan sağlayabilir. Modüler yapısı sayesinde malzemenin gelecekte daha kompakt mikrodalga-optik dönüştürücülerde değerlendirilmesi hedefleniyor.

VERİMLİLİK HEDEFİ

Laboratuvar deneyleri mikrodalga-optik dönüşüm mekanizmasının çalıştığını gösterse de sistemin bireysel kuantum durumlarını güvenilir biçimde aktarabilecek bir kuantum arayüzüne dönüşmesi için dönüşüm veriminin artırılması ve ek gürültünün mümkün olduğunca azaltılması gerekiyor. CCNY ekibi bu amaçla daha ince CrSBr katmanları, yüksek kaliteli optik boşluklar ve eksiton-polariton yapıları üzerinde çalışmalarını sürdürüyor. Tek bir kristalde mikrodalga manyetizması ile güçlü optik etkileşimleri bir araya getiren yaklaşımın geliştirilmesi, gelecekte kuantum işlemcilerin fiber optik iletişim altyapılarına bağlanmasına yönelik daha kompakt arayüzlerin önünü açabilir.