Kuantum mekaniğinin etkilerini kullanan teknolojiler, ışık ve maddenin kusursuz bir şekilde kontrol edilmesine dayanıyor. Onlarca yıldır araştırmacılar, güvenilir bir şekilde foton (ışık parçacığı) üretebilecek ve kuantum teknolojilerinin temelini oluşturacak sistemler arıyorlar. Bu yaklaşımlardan biri de, yeni yeni dikkat çekmeye başlayan silikon T merkezleri gibi renk merkezlerine dayanıyor.
Silikon T Merkezleri ve İzotop Etkisi
Renk merkezleri, silikonun kristal yapısındaki atom diziliminde meydana gelen kusurlar veya düzensizlikler olarak biliniyor. T merkezi ve diğer silikon renk merkezleri, halihazırda fiber optik internet kablolarında kullanılan dalga boyunda ışık yayabiliyor. Bu da onları kuantum ağları ve iletişim sistemleri için oldukça cazip kılıyor.
Simon Fraser Üniversitesi, Photonic Inc. ve ABD Donanma Araştırma Laboratuvarı’ndan araştırmacıların Physical Review Letters‘ta yayımlanan yeni çalışması, T merkezlerinde daha ağır hidrojen izotoplarının kullanılmasının, sistemin ışık yaymadan önceki uyarılmış hal süresini uzattığını gösterdi. Bu durum, T merkezinin tekil foton üretme verimliliğini ciddi şekilde artırıyor.
Silikon örgüsünde iki karbon ve bir hidrojen atomundan oluşan T merkezi, hidrojenin farklı izotoplarıyla oluşturulabiliyor: Yaygın ve hafif olan protium veya daha nadir ve ağır olan döteryum. Kütlelerindeki bu farklılık, T merkezindeki optik geçişlerde ufak ama kritik değişimlere yol açıyor.
Işımasız Bozunmanın Gizemi Çözüldü
Araştırmacılar, bu merkezin enerji kaybederken neden her zaman foton yaymadığını (ışımasız bozunma) anlamak için üç farklı T merkezi numunesi üzerinde çalıştı. Biri ağırlıklı olarak protium içerirken, diğeri kasıtlı olarak döteryum ile zenginleştirildi.
Lazerler ve hassas spektrometreler kullanılarak yapılan ölçümler, T merkezlerindeki ana enerji kaybının karbon-hidrojen (C-H) bağındaki spesifik bir titreşimden kaynaklandığını ortaya koydu. Ancak hidrojen yerine daha ağır olan döteryum kullanıldığında, titreşim frekansı düşüyor ve uyarılmış halin ışık yaymadan sönümlenmesine yol açan bu enerji kaybı büyük ölçüde engelleniyor.
Geleceğin Kuantum Ağları İçin %98’lik Beklenti
İlk hesaplamalara göre, döteryumlu T merkezlerinin verimliliği %98’in üzerine çıkabilir. Araştırmacılar, döteryumlu bir T merkezinin sıfırlanmaya ihtiyaç duymadan önce, protiumlu versiyonuna kıyasla yaklaşık 300 kat daha fazla optik döngüye girebileceğini tahmin ediyor. Bu da elektron spin kübitlerinin kararlılığını artırarak çok daha hızlı kuantum işlemleri yapılmasına olanak tanıyor.
Araştırma ekibi şu anda laboratuvarlarındaki tüm T merkezi cihazlarını döteryum ile güncelliyor. Önümüzdeki yıllarda bu cihazların, onlarca kilometrelik fiber optik kablolar üzerinden güvenli kuantum iletişimi sağlayacak ağ merkezleri olarak kullanılması planlanıyor.