تله یونی

تله یونی، که در اینجا نشان داده شده است، یکی از تله‌هایی است که برای آزمایش‌هایی در راستای تحقق یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می‌شود.

تله یونی ترکیبی از میدان های الکتریکی و/یا مغناطیسی است که برای جذب ذرات باردار - معروف به یون - اغلب در یک سیستم جدا شده از یک محیط خارجی استفاده می شود. تله‌های یونی اتمی و مولکولی کاربردهای زیادی در فیزیک و شیمی دارند، مانند طیف‌سنجی جرمی دقیق ، استانداردهای فرکانس اتمی بهبود یافته و محاسبات کوانتومی . [1] در مقایسه با تله‌های اتمی خنثی، تله‌های یونی پتانسیل‌های عمیق‌تری دارند (تا چندین الکترون ولت ).) که به ساختار الکترونیکی داخلی یک یون به دام افتاده بستگی ندارند. این امر تله های یونی را برای مطالعه برهمکنش های نور با سیستم های تک اتمی مناسب تر می کند. دو نوع از محبوب‌ترین تله‌های یونی عبارتند از تله پنینگ که از طریق ترکیبی از میدان‌های الکتریکی ساکن و مغناطیسی یک پتانسیل ایجاد می‌کند و تله پل که از طریق ترکیبی از میدان‌های الکتریکی ساکن و نوسانی پتانسیل ایجاد می‌کند. [2]

از تله های پنینگ می توان برای اندازه گیری دقیق مغناطیسی در طیف سنجی استفاده کرد. مطالعات مربوط به دستکاری حالت کوانتومی اغلب از تله پل استفاده می کنند. این ممکن است منجر به یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده [3] شود و قبلاً برای ایجاد دقیق ترین ساعت های اتمی جهان استفاده شده است . [4] [5] تفنگ های الکترونی (دستگاهی که الکترون های پرسرعت ساطع می کند، که در CRT ها استفاده می شود ) می توانند از یک تله یونی برای جلوگیری از تخریب کاتد توسط یون های مثبت استفاده کنند.

نظریه [ ویرایش ]

یک ذره باردار، مانند یک یون ، نیرویی را از یک میدان الکتریکی احساس می کند. در نتیجه قضیه ارنشاو ، محصور کردن یون در میدان الکترواستاتیک ممکن نیست. با این حال، فیزیکدانان راه‌های مختلفی برای کار پیرامون این قضیه با استفاده از ترکیب میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی ساکن (مانند تله پنینگ ) یا با میدان‌های الکتریکی نوسانی ( تله پل ) دارند. در مورد دومی، یک تحلیل رایج با مشاهده چگونگی یک یون بار آغاز می شوده $ه$ و جرمم $م$ در میدان الکتریکی ac رفتار می کند $\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}\cos(\Omega t)$ . نیروی وارد بر یون توسط $\mathbf {F} =e\mathbf {E}$ ، بنابراین با قانون دوم نیوتن ما داریم

$M\mathbf {\ddot {r}} =e\mathbf {E} _{0}\cos(\Omega t)\!$ .

با فرض اینکه یون دارای سرعت اولیه صفر است، دو ادغام متوالی سرعت و جابجایی را به صورت

$\mathbf {\dot {r}} ={\frac {e\mathbf {E} _{0}}{M\Omega }}\sin(\Omega t)\!$ ،

$\mathbf {r} =\mathbf {r} _{0}-{\frac {e\mathbf {E} _{0}}{M\Omega ^{2}}}\cos(\Omega t )\!$ ،

جایی که $\mathbf {r} _{0}$ ثابت یکپارچگی است. بنابراین، یون با فرکانس زاویه ای نوسان می کند $\ امگا$ و دامنه متناسب با شدت میدان الکتریکی. یک پتانسیل به دام انداختن را می توان با تغییر فضایی قدرت میدان الکتریکی ac به دست آورد.

تله پل خطی [ ویرایش ]

تله پل خطی از یک میدان چهار قطبی نوسانی برای به دام انداختن یون ها به صورت شعاعی و یک پتانسیل ساکن برای محدود کردن یون ها به صورت محوری استفاده می کند. میدان چهارقطبی توسط چهار الکترود موازی که در آن قرار دارند، تحقق می‌یابد $z$ -محور واقع در گوشه های یک مربع در $xy$ -سطح. الکترودها به صورت مورب در مقابل یکدیگر وصل شده اند و یک ولتاژ ac $V=V_{0}\cos(\Omega t)$ اعمال می شود. در طول $z$ - محور، تجزیه و تحلیل تقارن شعاعی یک پتانسیل را به دست می دهد [6]

$\phi =\alpha +\beta (x^{2}-y^{2})\!$ .

ثابت ها $\ آلفا$ و $\بتا$ توسط شرایط مرزی روی الکترودها و $\phi$ معادله لاپلاس را برآورده می کند $\nabla ^{2}\phi =0$ . با فرض طول الکترودها $r$ بسیار بیشتر از جدایی آنها است $r_{0}$ ، می توان نشان داد که

$\phi =\phi _{0}+{\frac {V_{0}}{2r_{0}^{2}}}\cos(\Omega t)(x^{2}-y^{ 2})\!$ .

از آنجایی که میدان الکتریکی با گرادیان پتانسیل داده می شود، آن را دریافت می کنیم

$\mathbf {E} =-{\frac {V_{0}}{r_{0}^{2}}}\cos(\Omega t)(x\mathbf {\hat {e}} _{ x}-y\mathbf {\hat {e}} _{y})\!$ .

تعریف کردن $\tau =\Omega t/2$ ، معادلات حرکت در $xy$ -صفحه یک شکل ساده شده از معادله ماتیو است ،

${\frac {d^{2}x_{i}}{d\tau ^{2}}}=-{\frac {4eV_{0}}{Mr_{0}^{2}\Omega ^ {2}}}\cos(2\tau )x_{i}\!$ .

دام پنینگ [ ویرایش ]

مسیر شعاعی یک یون در تله پنینگ. نسبت فرکانس سیکلوترون به فرکانس مگنترون است $\omega _{c}/\omega _{m}=10/1$ .

یک پیکربندی استاندارد برای تله پنینگ شامل یک الکترود حلقه و دو کلاهک انتهایی است. دیفرانسیل ولتاژ ایستا بین حلقه و کلاهک انتهایی یون ها را در جهت محوری (بین کلاهک های انتهایی) محدود می کند. با این حال، همانطور که از قضیه ارنشاو انتظار می رود ، پتانسیل الکتریکی ساکن برای به دام انداختن یک یون در هر سه بعد کافی نیست. برای ایجاد محصور شعاعی، یک میدان مغناطیسی محوری قوی اعمال می شود.

برای میدان الکتریکی یکنواخت $\mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}$ ، نیروی $\mathbf {F} =e\mathbf {E}$ یک یون با بار مثبت را در امتداد شتاب می دهدایکس $ایکس$ -محور. برای میدان مغناطیسی یکنواخت $\mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}$ ، نیروی لورنتس باعث می شود یون در حرکت دایره ای با فرکانس سیکلوترون حرکت کند

$\omega _{c}={\frac {eB}{M}}\!$ .

با فرض قرار گرفتن یونی با سرعت اولیه صفر در ناحیه $\mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}$ و $\mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}$ ، معادلات حرکت هستند

$x={\frac {E}{\omega _{c}B}}(1-\cos(\omega _{c}t))\!$ ،

$y=-{\frac {E}{\omega _{c}B}}(\omega _{c}t-\sin(\omega _{c}t))\!$ ،

$z=0\!$ .

حرکت حاصل ترکیبی از حرکت نوسانی در اطراف است $z$ -محور با فرکانس $\omega _{c}$ و سرعت رانش در $y$ -جهت. سرعت رانش عمود بر جهت میدان الکتریکی است.

برای میدان الکتریکی شعاعی تولید شده توسط الکترودها در تله پنینگ، سرعت رانش حول جهت محوری با مقداری فرکانس پیشروی می کند. $\omega_m$ ، فرکانس مگنترون نامیده می شود. یک یون دارای فرکانس مشخصه سوم نیز خواهد بود $\omega _{z}$ بین دو الکترود کلاهک انتهایی فرکانس ها معمولاً مقادیر بسیار متفاوتی دارند $\omega _{z}\ll \omega _{m}<\ll \omega _{c}$ . [7]

طیف سنج های جرمی تله یونی [ ویرایش ]

یک جزء خطی تله یونی یک طیف سنج جرمی

یک طیف‌سنج جرمی تله یونی ممکن است یک تله پنینگ ( رزونانس سیکلوترون یونی تبدیل فوریه )، [8] تله پل [9] یا تله کینگدون را در خود جای دهد. [10] Orbitrap ، معرفی شده در سال 2005، بر اساس تله Kingdon است. [11] انواع دیگر طیف سنج های جرمی نیز ممکن است از تله یونی چهارقطبی خطی به عنوان فیلتر جرمی انتخابی استفاده کنند.

تله یونی پنینگ [ ویرایش ]

طیف سنج جرمی FTICR - نمونه ای از ابزار تله پنینگ

یک تله پنینگ ذرات باردار را با استفاده از یک میدان مغناطیسی محوری همگن قوی برای محدود کردن ذرات به صورت شعاعی و یک میدان الکتریکی چهار قطبی برای محدود کردن ذرات به صورت محوری ذخیره می‌کند. [12] تله‌های پنینگ برای اندازه‌گیری خواص یون‌ها و ذرات باردار زیراتمی پایدار مناسب هستند . مطالعات دقیق گشتاور مغناطیسی الکترون توسط دهملت و دیگران موضوع مهمی در فیزیک مدرن است.

تله های پنینگ را می توان در محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات کوانتومی [13] استفاده کرد و در CERN برای ذخیره پادماده استفاده می شود. تله‌های پنینگ اساس طیف‌سنجی جرمی سیکلوترون یونی تبدیل فوریه را برای تعیین نسبت جرم به بار یون‌ها تشکیل می‌دهند . [14]

تله پنینگ توسط فرانس میشل پنینگ و هانس گئورگ دهملت اختراع شد که اولین تله را در دهه 1950 ساختند. [15]

تله یون پل [ ویرایش ]

نمودار شماتیک طیف سنج جرمی تله یونی با منبع یونیزاسیون الکترواسپری (ESI) و تله یونی پل.

تله پل نوعی تله یونی چهارقطبی است که از میدان های الکتریکی نوسانی جریان مستقیم ساکن (DC) و فرکانس رادیویی (RF) برای به دام انداختن یون ها استفاده می کند. تله های پل معمولاً به عنوان اجزای یک طیف سنج جرمی استفاده می شوند. اختراع تله یونی چهارقطبی سه بعدی به ولفگانگ پل نسبت داده می شود که در سال 1989 جایزه نوبل فیزیک را برای این کار به اشتراک گذاشت. [16] [17] این تله شامل دو الکترود فلزی هذلولی است که کانون‌های آنها رو به روی هم قرار دارند و یک الکترود حلقه هذلولی در نیمه راه بین دو الکترود دیگر. یون هادر فضای بین این سه الکترود توسط میدان های الکتریکی نوسانی و ساکن به دام افتاده اند.

تله و مدار کینگدون [ ویرایش ]

مقطع جزئی تحلیلگر جرم Orbitrap - نمونه ای از تله کینگدون.

تله کینگدون از یک سیم مرکزی نازک، یک الکترود استوانه ای بیرونی و الکترودهای کلاهک انتهایی جدا شده در هر دو انتها تشکیل شده است. ولتاژ اعمال شده استاتیک منجر به پتانسیل لگاریتمی شعاعی بین الکترودها می شود. [18] در تله کینگدون هیچ حداقل بالقوه ای برای ذخیره یون ها وجود ندارد. با این حال، آنها با یک تکانه زاویه ای محدود در مورد سیم مرکزی ذخیره می شوند و میدان الکتریکی اعمال شده در دستگاه امکان پایداری مسیرهای یونی را فراهم می کند. [19] در سال 1981، نایت یک الکترود بیرونی اصلاح شده را معرفی کرد که شامل یک اصطلاح چهارقطبی محوری بود که یون ها را روی محور تله محدود می کرد. [20] تله پویا کینگدون دارای یک ولتاژ AC اضافی است که از فوکوس زدایی قوی برای ذخیره دائمی ذرات باردار استفاده می کند. [21]تله دینامیک کینگدون نیازی ندارد که یون های به دام افتاده نسبت به رشته حرکت زاویه ای داشته باشند. Orbitrap یک تله Kingdon اصلاح شده است که برای طیف سنجی جرمی استفاده می شود . اگرچه این ایده پیشنهاد شده و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام شده است [22] ، نه پیکربندی کینگدون و نه پیکربندی نایت برای تولید طیف‌های جرمی گزارش نشده است، زیرا شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که قدرت تفکیک جرم مشکل‌ساز خواهد بود.

کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده [ ویرایش ]

مقاله اصلی: کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده

برخی از کارهای تجربی برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی از یون های به دام افتاده استفاده می کنند . واحدهایی از اطلاعات کوانتومی به نام کیوبیت در حالت‌های الکترونیکی پایدار هر یون ذخیره می‌شوند و اطلاعات کوانتومی را می‌توان از طریق حرکت کوانتومی جمعی یون‌ها پردازش و انتقال داد، که توسط نیروی کولن برهم‌کنش می‌کنند. لیزرها برای القای جفت بین حالت های کیوبیت (برای عملیات تک کیوبیت) یا بین حالت های کیوبیت داخلی و حالت های حرکتی خارجی (برای درهم تنیدگی بین کیوبیت ها) استفاده می شوند.

لوله های پرتو کاتدی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: لوله اشعه کاتدی

تله‌های یونی قبل از معرفی صفحه‌های CRT آلومینیومی در حدود سال 1958 برای محافظت از صفحه نمایش فسفر در برابر یون‌ها در گیرنده‌های تلویزیون استفاده می‌شد. [23] تله یون باید با ظرافت برای حداکثر روشنایی تنظیم شود. [24] [25]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/Ion_trap

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:27 توسط علی رضا نقش |

کامپیوتر کوانتومی رزونانس مغناطیسی هسته ای

مولکول آلانین مورد استفاده در اجرای NMR محاسبات کوانتومی. کیوبیت ها توسط حالت های اسپینی اتم های کربن سیاه اجرا می شوند

محاسبات کوانتومی رزونانس مغناطیسی هسته ای ( NMRQC ) [1] یکی از چندین روش پیشنهادی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی است که از حالت‌های اسپین هسته‌های درون مولکول‌ها به عنوان کیوبیت استفاده می‌کند. حالات کوانتومی از طریق تشدید مغناطیسی هسته ای کاوش می شوند و به سیستم اجازه می دهند تا به عنوان یک تنوع طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای اجرا شود . تفاوت NMR با دیگر پیاده سازی های کامپیوترهای کوانتومی در این است که از مجموعه ای از سیستم ها، در این مورد از مولکول ها، به جای یک حالت خالص استفاده می کند.

در ابتدا رویکرد استفاده از خواص اسپینی اتم‌های مولکول‌های خاص در یک نمونه مایع به‌عنوان کیوبیت بود - این به عنوان NMR حالت مایع (LSNMR) شناخته می‌شود. این رویکرد از آن زمان توسط NMR حالت جامد (SSNMR) به عنوان وسیله ای برای محاسبات کوانتومی جایگزین شده است.

NMR حالت مایع [ ویرایش ]

تصویر ایده‌آل از پردازش اطلاعات کوانتومی NMR حالت مایع (LSNMR) (QIP) بر اساس مولکولی است که در آن برخی از هسته‌های اتم آن مانند سیستم‌های اسپین-½ رفتار می‌کنند. [2]بسته به اینکه کدام هسته را در نظر می گیریم، سطوح انرژی متفاوت و تعامل متفاوتی با همسایگان خود خواهند داشت و بنابراین می توانیم آنها را به عنوان کیوبیت های قابل تشخیص در نظر بگیریم. در این سیستم ما تمایل داریم پیوندهای بین اتمی را به عنوان منبع برهمکنش بین کیوبیت ها در نظر بگیریم و از این برهمکنش های اسپین-اسپین برای انجام گیت های 2 کیوبیتی مانند CNOT ها که برای محاسبات کوانتومی جهانی ضروری هستند استفاده کنیم. علاوه بر برهمکنش‌های اسپین-اسپین بومی مولکول، می‌توان یک میدان مغناطیسی خارجی (در آزمایشگاه‌های NMR) اعمال کرد و دروازه‌های تک کیوبیتی را تحمیل کرد. با بهره برداری از این واقعیت که چرخش های مختلف زمینه های محلی متفاوتی را تجربه می کنند، ما بر چرخش های فردی کنترل داریم.

تصویری که در بالا توضیح داده شد دور از واقعیت است زیرا ما در حال درمان یک مولکول واحد هستیم. NMR روی مجموعه‌ای از مولکول‌ها انجام می‌شود که معمولاً 10^15 مولکول دارند. این امر عوارضی را به مدل وارد می‌کند که یکی از آن‌ها معرفی ناپیوستگی است. به طور خاص، ما مشکل یک سیستم کوانتومی باز را داریم که با تعداد ماکروسکوپی ذرات نزدیک به تعادل حرارتی (~mK تا ~300 K) در تعامل است. این منجر به توسعه تکنیک‌های سرکوب ناهمدوسی شده است که به سایر رشته‌ها مانند یون‌های به دام افتاده گسترش یافته است.. موضوع مهم دیگر در رابطه با کار نزدیک به تعادل حرارتی، مختلط بودن حالت است. این نیاز به معرفی پردازش کوانتومی مجموعه‌ای داشت که محدودیت اصلی آن این است که با معرفی کیوبیت‌های منطقی بیشتر به سیستم خود، به نمونه‌های بزرگ‌تری برای دستیابی به سیگنال‌های قابل تشخیص در طول اندازه‌گیری نیاز داریم.

NMR حالت جامد [ ویرایش ]

NMR حالت جامد (SSNMR)، بر خلاف LSNMR از یک نمونه حالت جامد، به عنوان مثال از شبکه الماس خالی نیتروژن به جای نمونه مایع استفاده می کند. [3] این مزیت‌های زیادی دارد، مانند عدم وابستگی انتشار مولکولی، دماهای پایین‌تر را می‌توان تا حدی به دست آورد که می‌توان ناهمدوسی فونون را سرکوب کرد و تنوع بیشتری از عملیات‌های کنترلی که به ما اجازه می‌دهد بر یکی از مشکلات عمده LSNMR یعنی راه‌اندازی اولیه غلبه کنیم. علاوه بر این، همانطور که در یک ساختار کریستالی می‌توانیم دقیقاً کیوبیت‌ها را محلی‌سازی کنیم، می‌توانیم هر کیوبیت را به‌صورت جداگانه اندازه‌گیری کنیم، به‌جای اینکه اندازه‌گیری مجموعه‌ای مانند LSNMR داشته باشیم.

تاریخچه [ ویرایش ]

استفاده از اسپین های هسته ای برای محاسبات کوانتومی اولین بار توسط ست لوید و دیوید دیوینچنزو مورد بحث قرار گرفت . [4] [5] [6] دستکاری اسپین های هسته ای برای محاسبات کوانتومی با استفاده از NMR حالت مایع به طور مستقل توسط کوری ، فاهمی و هاول [7] [8] و گرشنفلد و چوانگ [9] در سال 1997 معرفی شد. موفقیت اولیه به دست آمد. در اجرای الگوریتم های کوانتومی در سیستم های NMR به دلیل بلوغ نسبی فناوری NMR. به عنوان مثال، در سال 2001 محققان IBM اجرای موفقیت آمیز الگوریتم Shor را در یک کیوبیت 7 گزارش کردند.کامپیوتر کوانتومی NMR [10] با این حال، حتی از روزهای اولیه، تشخیص داده شد که کامپیوترهای کوانتومی NMR به دلیل مقیاس ضعیف نسبت سیگنال به نویز در چنین سیستم‌هایی، هرگز بسیار مفید نیستند. [11] کار جدیدتر، به ویژه توسط Caves و دیگران، نشان می‌دهد که تمام آزمایش‌ها در محاسبات کوانتومی NMR در مجموعه حجمی حالت مایع تا به امروز، دارای درهم‌تنیدگی کوانتومی نیستند ، که تصور می‌شود برای محاسبات کوانتومی لازم است. از این رو، آزمایش‌های محاسباتی کوانتومی NMR احتمالاً تنها شبیه‌سازی‌های کلاسیک یک کامپیوتر کوانتومی بوده‌اند. [12]

نمایش ریاضی [ ویرایش ]

مجموعه به صورت حالت تعادل حرارتی مقداردهی اولیه شده است (به مکانیک آماری کوانتومی مراجعه کنید ). در اصطلاح ریاضی، این حالت توسط ماتریس چگالی داده می شود :

$\rho ={\frac {e^{{-\beta H}}}{\operatorname {Tr}(e^{{-\beta H}})}}،$

که در آن H ماتریس همیلتونی یک مولکول منفرد است و

$\beta ={\frac {1}{k\,T}}$

جایی که $ک$ ثابت بولتزمن است و $تی$ درجه حرارت. اینکه حالت اولیه در محاسبات کوانتومی NMR در تعادل حرارتی است، یکی از تفاوت‌های اصلی در مقایسه با سایر تکنیک‌های محاسباتی کوانتومی است، جایی که آنها در حالت خالص مقداردهی اولیه می‌شوند. با این وجود، حالت های مخلوط مناسب می توانند دینامیک کوانتومی را منعکس کنند که منجر به گرشنفلد و چوانگ می شود که آنها را "حالت های شبه خالص" نامیدند. [9]

عملیات بر روی مجموعه از طریق پالس های فرکانس رادیویی (RF) اعمال می شود که عمود بر یک میدان مغناطیسی قوی و ساکن ایجاد می شود که توسط یک آهنربای بسیار بزرگ ایجاد می شود. رزونانس مغناطیسی هسته ای را ببینید .

اعمال میدان مغناطیسی در امتداد محور z را در نظر بگیرید و آن را به عنوان محور اصلی کوانتیزاسیون بر روی یک نمونه مایع ثابت کنید. همیلتونی برای یک چرخش منفرد با عبارت زیمن یا شیفت شیمیایی داده می شود:

$H=\mu B_{z}=I_{z}\omega$

جایی که $I_z$ عملگر مولفه z تکانه زاویه ای هسته ای است و $\ امگا$ فرکانس رزونانس اسپین است که متناسب با میدان مغناطیسی اعمال شده است.

با در نظر گرفتن مولکول‌های موجود در نمونه مایع که حاوی دو هسته ½ اسپین هستند، سیستم همیلتونی دارای دو ترم شیفت شیمیایی و یک جفت دوقطبی خواهد بود:

$H=\omega _{1}I_{z1}+\omega _{2}I_{z2}+2J_{12}I_{z1}I_{z2}$

کنترل یک سیستم اسپین را می توان با استفاده از پالس های RF انتخابی که عمود بر محور کوانتیزاسیون اعمال می شود، تحقق بخشید. در مورد سیستم دو اسپین همانطور که در بالا توضیح داده شد، می‌توانیم دو نوع پالس را متمایز کنیم: پالس‌های "نرم" یا انتخابی اسپین، که محدوده فرکانس آنها فقط یکی از فرکانس‌های تشدید را در بر می‌گیرد و بنابراین فقط بر آن اسپین تأثیر می‌گذارد. و پالس‌های «سخت» یا غیرانتخابی که محدوده فرکانس آنها به اندازه‌ای وسیع است که هر دو فرکانس تشدید را شامل شود و بنابراین این پالس‌ها به هر دو اسپین متصل می‌شوند. برای مثال‌های دقیق از اثرات پالس‌ها بر چنین سیستم چرخشی، خواننده به بخش 2 کار کوری و همکارانش ارجاع داده می‌شود. [13]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

کامپیوتر کوانتومی کین

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:22 توسط علی رضا نقش |

مرکز خالی نیتروژن

ساختار اتمی ساده شده مرکز NV

مرکز خالی نیتروژن ( مرکز NV یا مرکز NV ) یکی از عیوب نقطه ای متعدد در الماس است. کاوش‌شده‌ترین و مفیدترین ویژگی آن نورتابی آن است که به ناظران اجازه می‌دهد تا حالت اسپین آن را بخوانند. اسپین الکترونی مرکز NV که در مقیاس اتمی موضعی است، می تواند در دمای اتاق توسط عوامل خارجی مانند میدان های مغناطیسی یا الکتریکی ، تابش امواج مایکروویو یا نور دستکاری شود و در نتیجه تشدید شدید در شدت نورتابی نور ایجاد شود. این رزونانس ها را می توان بر حسب پدیده های مرتبط با اسپین الکترون توضیح داد درهم تنیدگی کوانتومی ، اندرکنش اسپین-مدار و نوسانات رابی ، و با استفاده از تئوری اپتیک کوانتومی پیشرفته تحلیل شد. یک مرکز NV فردی می تواند به عنوان یک واحد پایه برای یک کامپیوتر کوانتومی ، یک کیوبیت و برای رمزنگاری کوانتومی استفاده شود. کاربردهای بالقوه بیشتر در زمینه های جدید الکترونیک و سنجش شامل اسپینترونیک ، میزر و حسگرهای کوانتومی است. اگر بار مشخص نشده باشد، اصطلاح "NV Center" به مرکز NV - دارای بار منفی اشاره دارد .

ساختار [ ویرایش ]

تصاویر پایین نقشه های فوتولومینسانس فضایی (PL) قبل و بعد از اعمال ولتاژ +20 ولت به یک دیود شاتکی مسطح هستند. تصویر بالا آزمایش را نشان می دهد. نقشه‌های PL تبدیل مراکز NV 0 به مراکز NV- را نشان می‌دهند که به صورت نقاط روشن ظاهر می‌شوند. [1]

مرکز جای خالی نیتروژن یک نقص نقطه ای در شبکه الماس است . این شامل یک جفت همسایه از یک اتم نیتروژن است که جایگزین یک اتم کربن می شود و یک جای خالی شبکه .

دو حالت بار این نقص، خنثی NV 0 و منفی NV- ، از مطالعات طیف‌سنجی با استفاده از جذب نوری ، [2] [3] فوتولومینسانس (PL)، [4] رزونانس پارامغناطیس الکترونی (EPR) [5] [6] شناخته شده‌اند. [7] و تشدید مغناطیسی شناسایی شده نوری (ODMR)، [8] که می تواند به عنوان ترکیبی از PL و EPR در نظر گرفته شود. بیشتر جزئیات ساختار از EPR سرچشمه می گیرد. اتم نیتروژن از یک طرف دارای پنج الکترون ظرفیتی است. سه تای آنها کووالانسی هستندبه اتم های کربن پیوند می خورند، در حالی که دو اتم دیگر غیرپیوندی باقی می مانند و یک جفت تنها نامیده می شوند . از طرف دیگر جای خالی سه الکترون جفت نشده دارد. دو تای آنها یک پیوند شبه کووالانسی تشکیل می دهند و یکی جفت نشده باقی می ماند. تقارن کلی، با این حال، محوری است (سه ضلعی C 3V ). می توان این موضوع را با تصور سه الکترون خالی جفت نشده در حال مبادله پیوسته نقش خود تجسم کرد.

بنابراین NV 0 یک الکترون جفت نشده دارد و پارامغناطیس است. با این حال، علی‌رغم تلاش‌های گسترده، سیگنال‌های رزونانس پارامغناطیسی الکترون از NV 0 برای چندین دهه تا سال 2008 از تشخیص اجتناب کردند . سیگنال‌های حالت پایه احتمالاً برای تشخیص EPR بسیار گسترده هستند. [9]

مراکز NV 0 را می توان با تغییر موقعیت سطح فرمی به NV - تبدیل کرد. این را می توان با اعمال ولتاژ خارجی به یک اتصال pn ساخته شده از الماس دوپ شده، به عنوان مثال، در دیود شاتکی به دست آورد. [1]

در حالت بار منفی NV- ، یک الکترون اضافی در محل خالی قرار دارد و یک جفت اسپین S=1 را با یکی از الکترون های خالی تشکیل می دهد. همانطور که در NV 0 ، الکترون های خالی در حال "تبادل نقش" هستند و تقارن مثلثاتی کلی را حفظ می کنند. این حالت NV- چیزی است که معمولاً و تا حدودی نادرست «مرکز خالی نیتروژن» نامیده می شود. حالت خنثی معمولاً برای فناوری کوانتومی استفاده نمی شود.

مراکز NV به طور تصادفی در داخل یک کریستال الماس جهت گیری می کنند. تکنیک های کاشت یون می تواند ایجاد مصنوعی آنها را در موقعیت های از پیش تعیین شده امکان پذیر کند. [10]

تولید [ ویرایش ]

مقاله اصلی: عیوب کریستالوگرافی در الماس

مراکز خالی نیتروژن معمولاً از مراکز تک جایگزین نیتروژن (که در ادبیات الماس مراکز C یا P1 نامیده می شود) توسط تابش و سپس بازپخت در دمای بالای 700 درجه سانتیگراد تولید می شوند. [2] طیف وسیعی از ذرات پرانرژی برای چنین تابش‌هایی مناسب است، از جمله الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها، یون‌ها و فوتون‌های گاما. پرتودهی باعث ایجاد جاهای خالی شبکه می شود که بخشی از مراکز NV هستند. آن جاهای خالی در دمای اتاق بی حرکت هستند و برای جابجایی آنها نیاز به بازپخت کردن است. نیتروژن جایگزین تنها باعث ایجاد کرنش در شبکه الماس می شود. [11] بنابراین به طور موثری جاهای خالی متحرک را ضبط می کند، [12] مراکز NV را تولید می کند.

در طی رسوب بخار شیمیایی الماس، بخش کوچکی از ناخالصی نیتروژن جایگزین منفرد (معمولا <0.5٪) جای خالی ایجاد شده در نتیجه سنتز پلاسما را به دام می اندازد. چنین مراکز خالی نیتروژن ترجیحاً در جهت رشد قرار دارند. [13]

الماس به دلیل داشتن کرنش شبکه نسبتاً بزرگ بدنام است. کرنش تقسیم می شود و انتقال نوری را از مراکز جداگانه تغییر می دهد که منجر به ایجاد خطوط گسترده در مجموعه مراکز می شود. [2] مراقبت ویژه برای تولید خطوط NV بسیار تیز (عرض خط ~ 10 مگاهرتز) [14] مورد نیاز برای اکثر آزمایش‌ها انجام می‌شود: الماس‌های مصنوعی با کیفیت بالا، طبیعی خالص یا بهتر (نوع IIa) انتخاب می‌شوند. بسیاری از آنها در حال حاضر دارای غلظت کافی از مراکز NV رشد یافته هستند و برای کاربردها مناسب هستند. اگر نه، آنها توسط ذرات پرانرژی تابش می شوند و آنیل می شوند. انتخاب یک دوز تابش مشخص اجازه تنظیم غلظت مراکز NV تولید شده را می دهد به طوری که مراکز NV منفرد با فواصل میکرومتری از هم جدا می شوند. سپس، مراکز NV فردی را می توان با استاندارد مطالعه کردمیکروسکوپ های نوری یا بهتر است میکروسکوپ های نوری روبشی میدان نزدیک با وضوح زیر میکرومتر. [8] [15]

ساختار سطح انرژی شماتیک مرکز NV. انتقال الکترون بین حالت های زمین 3 A و 3 E برانگیخته، که با 1.945 eV (637 نانومتر) از هم جدا شده اند، جذب و لومینسانس می کنند. حالت 3 A با 2.87 گیگاهرتز [16] [17] و حالت 3 E با 1.42 گیگاهرتز تقسیم می شود. [18] اعداد 0، 1± عدد کوانتومی اسپین m s را نشان می دهد . شکافتن به دلیل انحطاط مداری نشان داده نشده است.

ساختار سطح انرژی [ ویرایش ]

مرکز NV دارای یک سه گانه حالت پایه ( 3 A) ، یک سه گانه حالت برانگیخته ( 3 E) و دو تک حالت متوسط ( 1 A و 1 E) است. [یادداشت 1] [19] [20] هر دو 3 A و 3 E حاوی حالت‌های اسپین ms = 1 ± هستند، که در آن دو اسپین الکترون در یک راستا قرار می‌گیرند (یا بالا، به طوری که ms = +1 یا پایین، به طوری که m s = -1)، و یک حالت اسپین ms = 0 که در آن اسپین های الکترون ضد موازی هستند. به دلیل برهمکنش مغناطیسی، انرژی m s1± حالت بالاتر از حالت ms = 0 است. 1 A و 1 E فقط دارای یک تک حالت چرخشی هستند که هر کدام m s = 0 دارند.

اگر یک میدان مغناطیسی خارجی در امتداد محور نقص (محوری که با اتم نیتروژن و جای خالی همسو می‌شود) مرکز NV اعمال شود، بر حالت‌های ms = 0 تأثیر نمی‌گذارد ، اما سطوح ms = 1± را تقسیم می‌کند . ( اثر زیمن ). به طور مشابه، سایر ویژگی‌های محیط زیر بر نمودار سطح انرژی تأثیر می‌گذارد (که بیشتر در قسمت #اثر میدان‌های خارجی مورد بحث قرار گرفته است ) :

دامنه و جهت یک میدان مغناطیسی ساکن سطوح ms = 1 ± را در حالت های زمین و برانگیخته تقسیم می کند .
دامنه و جهت میدان‌های الاستیک (کرنش) یا الکتریکی [21] [22] تأثیرات بسیار کوچک‌تر اما پیچیده‌تری بر سطوح مختلف دارد.
تشعشعات مایکروویو موج پیوسته (که در رزونانس با انتقال بین ms = 0 و (یکی از) ms = 1 حالت اعمال می شود) جمعیت سطوح فرعی را در سطح زمین و حالت برانگیخته تغییر می دهد. [22]
یک لیزر قابل تنظیم می تواند به طور انتخابی سطوح فرعی خاصی از زمین و حالت های برانگیخته را تحریک کند. [22] [23]
چرخش های اطراف و تعامل اسپین-مدار میدان مغناطیسی تجربه شده توسط مرکز NV را تعدیل می کند.
دما و فشار بر بخش‌های مختلف طیف از جمله جابجایی بین حالت‌های زمین و حالت برانگیخته تأثیر می‌گذارند.

ساختار انرژی توصیف شده در بالا [یادداشت 2] به هیچ وجه برای نقص در الماس یا سایر نیمه هادی ها استثنایی نیست. [24] این ساختار به تنهایی نبود، بلکه ترکیبی از چندین عامل مطلوب (دانش قبلی، تولید آسان، زیست سازگاری، اولیه سازی ساده، استفاده در دمای اتاق و غیره) بود که استفاده از مرکز NV را به عنوان یک سنسور کیوبیت و کوانتومی پیشنهاد کرد. .

خواص نوری [ ویرایش ]

جذب نوری و انتشار مرکز NV- در دمای اتاق.

مراکز NV نور قرمز روشن ( 3 E → 3 A انتقال) را ساطع می کنند، اگر با نور سبز مرئی ( 3 A → 3 E انتقال) برانگیخته شوند . این کار را می توان با منابع نوری مناسب مانند لیزرهای آرگون یا کریپتون، لیزرهای Nd:YAG با فرکانس دو برابر شده ، لیزرهای رنگی یا لیزرهای He-Ne انجام داد. تحریک همچنین می تواند در انرژی های کمتر از تابش فونون صفر به دست آید . [25]

از آنجایی که زمان استراحت از حالت برانگیخته کوچک است (~10 ns )، [26] [27] انتشار تقریباً بلافاصله پس از برانگیختگی اتفاق می‌افتد. در دمای اتاق، طیف نوری مرکز NV به دلیل انبساط حرارتی، پیک تیز نشان نمی دهد. با این حال، خنک کردن مراکز NV با نیتروژن مایع یا هلیوم مایع به طور چشمگیری خطوط را به عرض چند مگاهرتز کاهش می دهد. در دمای پایین نیز می توان به طور خاص خط فونون صفر (ZPL) را نشان داد.

یکی از ویژگی های مهم درخشندگی از مراکز NV منفرد، پایداری زمانی بالای آن است. در حالی که بسیاری از ساطع کننده های تک مولکولی پس از انتشار 10 فوتون 6-108 سفید می شوند (یعنی حالت بار خود را تغییر می دهند و تاریک می شوند) ، سفید شدن برای مراکز NV در دمای اتاق بعید است. [28] [15] نور لیزر قوی، با این حال، ممکن است برخی از NV - را به مراکز NV 0 نیز تبدیل کند. [4]

به دلیل این ویژگی ها، روش ایده آل برای رسیدگی به مراکز NV، میکروسکوپ کانفوکال است ، هم در دمای اتاق و هم در دمای پایین.

دستکاری حالت [ ویرایش ]

دینامیک چرخش در مرکز NV در الماس. انتقال اولیه بین سه قلوهای زمین و حالت برانگیخته، حفظ چرخش است. واپاشی از طریق منفردهای میانی با تبدیل اسپین از m s = 1± به m s = 0 ، باعث قطبش اسپین می شود . [30] [31] علاوه بر این، اثر یک میدان مغناطیسی ساکن B 0 در امتداد محور نقص و تغییر زیمن حاصل نشان داده شده است. در اینجا γ nv به نسبت ژیرو مغناطیسی اشاره داردمرکز NV در بسیاری از کاربردها، از دو سطح حالت پایه به عنوان کیوبیت استفاده می شود. [32] انتقال در این سیستم موثر دو سطحی ، ممکن است با استفاده از یک میدان مایکروویو القا شود. 3E-1A و 1E-3A انتقال های غیر تشعشعی هستند.

دستکاری اسپین نوری [ ویرایش ]

انتقال نوری باید کل اسپین را حفظ کند و فقط بین سطوح همان اسپین کل رخ دهد. به طور خاص، انتقال بین حالت زمین و حالت برانگیخته (با اسپین برابر) را می توان با استفاده از لیزر سبز رنگ با طول موج 546 نانومتر القا کرد. انتقال 3 E→ 1 A و 1 E→ 3 A غیر تابشی هستند، در حالی که 1 A → 1 E دارای مسیر فروپاشی غیر تابشی و فروسرخ است.

نمودار سمت راست حالت های چند الکترونیکی مرکز NV را نشان می دهد که بر اساس تقارن آنها (E یا A) و حالت چرخش آنها (3 برای یک سه گانه (S=1) و 1 برای یک تک (S=0)) برچسب گذاری شده است. . دو حالت سه گانه و دو حالت منفرد میانی وجود دارد. [33]

راه اندازی حالت چرخشی [ ویرایش ]

یک ویژگی مهم انتقال غیر تشعشعی بین 3 E و 1 A این است که برای m s = 1 ± قوی تر و برای m s = 0 ضعیف تر است. این اساس یک استراتژی دستکاری بسیار مفید را فراهم می کند که به آن مقداردهی اولیه حالت چرخشی می گویند . (یا قطبش اسپین نوری). برای درک فرآیند، ابتدا یک تحریک خارج از تشدید را در نظر بگیرید که فرکانس بالاتری (معمولاً 2.32 eV (532 نانومتر)) نسبت به فرکانس‌های همه انتقال‌ها دارد و بنابراین در باندهای ویبرونیک برای همه انتقال‌ها قرار می‌گیرد. با استفاده از یک پالس به این طول موج، می توان تمام حالت های اسپین را از 3 A تا 3 E برانگیخت. یک مرکز NV در حالت پایه با m s= 0 به دلیل حفظ اسپین به حالت برانگیخته مربوطه با m s = 0 برانگیخته می شود. پس از آن به حالت اولیه خود باز می گردد. برای حالت پایه با ms = 1±، وضعیت متفاوت است. پس از تحریک، احتمال نسبتاً بالایی برای واپاشی به حالت میانی 1 A با انتقال غیر تشعشعی [یادداشت 3] [34] و بیشتر به حالت پایه با m s = 0 دارد. پس از چرخه های زیاد، حالت مرکز NV (مستقل از اینکه در m s = 0 یا m s = ± 1 شروع شده باشد) به حالت پایه ms = 0 ختم می شود. از این فرآیند می توان برای مقداردهی اولیه حالت کوانتومی یک کیوبیت استفاده کردبرای پردازش اطلاعات کوانتومی یا سنجش کوانتومی .

گاهی اوقات قطبی پذیری مرکز NV با این ادعا توضیح داده می شود که انتقال از 1 E به حالت پایه با ms = 1± کوچک است، در مقایسه با انتقال به ms = 0. با این حال، نشان داده شده است که در مقایسه با احتمال فروپاشی کم برای ms = 0 حالات wrt m s = 1 ± حالات در 1 A برای توضیح قطبی شدن کافی است. [35]

اثرات فیلدهای خارجی [ ویرایش ]

دستکاری چرخش مایکروویو [ ویرایش ]

تفاوت انرژی بین حالت‌های ms = 0 و ms = 1 ± مربوط به رژیم مایکروویو است. جمعیت را می توان با اعمال میدان مغناطیسی تشدید عمود بر محور نقص بین حالت ها منتقل کرد. اثرات دینامیکی متعددی ( پژواک اسپین ، نوسانات رابی ، و غیره) را می توان با اعمال یک دنباله پالس های مایکروویو با دقت طراحی شده مورد بهره برداری قرار داد. [36] [37] [38] [39] [40] چنین پروتکل‌هایی برای تحقق عملی کامپیوترهای کوانتومی بسیار مهم هستند . با دستکاری جمعیت، می توان مرکز NV را به یک مرکز حساس تر تبدیل کردیا حالت پایدار [41] [42] میدان‌های نوسانی حاصل از خود نیز ممکن است برای تأثیرگذاری بر هسته‌های اطراف [43] یا محافظت از خود مرکز NV از نویز استفاده شوند. [44] این کار معمولاً با استفاده از یک حلقه سیم (آنتن مایکروویو) انجام می شود که یک میدان مغناطیسی نوسانی ایجاد می کند. [45]

تأثیر عوامل خارجی [ ویرایش ]

اگر یک میدان مغناطیسی در امتداد محور نقص باشد، منجر به شکافتن زیمن می‌شود که ms = +1 را از حالت‌های ms = -1 جدا می‌کند. این تکنیک برای بالا بردن انحطاط و استفاده از تنها دو حالت اسپین (معمولا حالت های پایه با ms = -1 و ms = 0) به عنوان کیوبیت استفاده می شود. سپس جمعیت را می توان با استفاده از یک میدان مایکروویو بین آنها منتقل کرد. در نمونه خاصی که میدان مغناطیسی به 1027 G (یا 508 G) می رسد، m s = -1 و m s = 0 حالت در حالت زمین (یا برانگیخته) از نظر انرژی برابر می شود (ضد عبور سطح زمین/ حالت هیجان زده). برهمکنش قوی زیر منجر به به اصطلاح قطبش اسپین می‌شود که به شدت بر شدت جذب نوری و انتقال‌های لومینسانس مربوط به آن حالت‌ها تأثیر می‌گذارد. [18]

نکته مهم این است که این تقسیم را می توان با اعمال یک میدان الکتریکی خارجی ، [21] [22] به روشی مشابه با مکانیسم میدان مغناطیسی که در بالا ذکر شد، مدوله کرد، اگرچه فیزیک تقسیم تا حدودی پیچیده تر است. با این وجود، یک نتیجه عملی مهم این است که شدت و موقعیت خطوط لومینسانس تعدیل شده است. کرنش اثری مشابه میدان الکتریکی بر روی مرکز NV دارد.

یک تقسیم اضافی از سطوح انرژی ms = 1 ± وجود دارد که از برهمکنش بسیار ظریف بین اسپین های هسته ای اطراف و مرکز NV سرچشمه می گیرد. این اسپین‌های هسته‌ای میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی خود را ایجاد می‌کنند که منجر به اعوجاج بیشتر طیف NV می‌شود. همچنین تعامل اسپین-مدار خود مرکز NV و انحطاط مداری منجر به تقسیم سطح اضافی در حالت 3 E برانگیخته می شود.

دما و فشار مستقیماً بر ترم میدان صفر مرکز NV تأثیر می‌گذارند که منجر به تغییر بین سطح زمین و حالت برانگیخته می‌شود.

معادله همیلتونی ، یک معادله مکانیکی کوانتومی که دینامیک یک سیستم را توصیف می کند، که تأثیر عوامل مختلف را بر مرکز NV نشان می دهد، در زیر آمده است.

اگرچه می تواند چالش برانگیز باشد، اما همه این اثرات قابل اندازه گیری هستند و مرکز NV را به یک کاندیدای عالی برای یک حسگر کوانتومی تبدیل می کند . [42]

دستکاری وضعیت شارژ [ ویرایش ]

همچنین امکان تغییر وضعیت شارژ مرکز NV (یعنی بین NV − , NV + و NV 0 ) با اعمال ولتاژ گیت وجود دارد. [46]

برنامه های کاربردی بالقوه [ ویرایش ]

اسکن میکروسکوپ حرارتی با استفاده از مرکز NV.
(الف) شماتیک های تنظیم تجربی. یک جریان الکتریکی به بازوهای یک کنسول AFM ( Si، P:Si دوپ شده با فسفر ) اعمال می شود و بخش انتهایی بالای نوک را گرم می کند ( ذاتی Si، i- Si ). لنز پایینی یک نانو کریستال الماس را با نور لیزر سبز تحریک می کند و نورتابی (PL) را جمع آوری می کند. کریستال میزبان یک مرکز NV است و به نوک AFM متصل است. یک سیم روی سطح نمونه به عنوان منبع مایکروویو (mw) عمل می کند. دمای کنسول T h از جریان و ولتاژ اعمال شده تعیین می شود.
(ب) طیف ODMR مرکز NV در سه دما. تقسیم خط از یک میدان مغناطیسی اعمال شده ~1 mT سرچشمه می گیرد.
(ج) تصویر رسانایی گرمایی یک حرف طلایی E روی یاقوت کبود . دایره های سفید ویژگی هایی را نشان می دهند که با توپوگرافی AFM همبستگی ندارند. (د) تصویر PL از انتهای کنسول AFM و نوک جایی که نانو کریستال الماس به عنوان نقطه روشن ظاهر می شود. (ه) تصویر PL بزرگنمایی شده از مرکز NV در d. [47]

شکل طیفی و شدت سیگنال‌های نوری از مراکز NV- نسبت به اغتشاش خارجی، مانند دما، کرنش، میدان الکتریکی و مغناطیسی حساس هستند. با این حال، استفاده از شکل طیفی برای سنجش آن آشفتگی‌ها غیرعملی است، زیرا الماس باید تا دمای برودتی خنک شود تا سیگنال‌های NV- تیز شود . یک رویکرد واقعی تر، استفاده از شدت لومینسانس (به جای شکل خط) است، که وقتی فرکانس مایکروویو به الماس اعمال می شود که با تقسیم سطوح حالت زمین مطابقت دارد، تشدید شدیدی را نشان می دهد. سیگنال‌های تشدید مغناطیسی تشخیص‌داده‌شده نوری، حتی در دمای اتاق نیز واضح هستند و می‌توانند در حسگرهای مینیاتوری استفاده شوند. چنین حسگرهایی می توانند میدان های مغناطیسی چند نانوتسلا را تشخیص دهند [48]یا میدان های الکتریکی حدود 10 V/cm [49] در فرکانس های کیلوهرتز پس از 100 ثانیه میانگین گیری. این حساسیت امکان تشخیص یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی تولید شده توسط یک الکترون منفرد را که ده‌ها نانومتر از مرکز NV- فاصله دارد، می‌دهد .

با استفاده از مکانیسم مشابه، مراکز NV- در میکروسکوپ حرارتی روبشی برای اندازه‌گیری نقشه‌های فضایی با وضوح بالا از دما و هدایت حرارتی استفاده شدند (تصویر را ببینید). [47]

یکی دیگر از کاربردهای احتمالی مراکز NV- به عنوان آشکارساز برای اندازه گیری تانسور تنش مکانیکی کامل در بخش عمده کریستال است. برای این کاربرد، از شکاف ناشی از تنش خط صفر فونون و خواص پلاریزاسیون آن استفاده می‌شود. [50] یک گیرنده رادیویی مدوله‌شده با فرکانس قوی با استفاده از نورتابی وابسته به اسپین الکترون که تا دمای 350 درجه سانتی‌گراد کار می‌کرد، امکان استفاده در شرایط شدید را نشان می‌دهد. [51]

علاوه بر کاربردهای نوری کوانتومی، لومینسانس از مراکز NV- را می توان برای تصویربرداری از فرآیندهای بیولوژیکی، مانند جریان سیال در سلول های زنده به کار برد. [52] این نرم افزار متکی بر سازگاری خوب نانو ذرات الماس با سلول های زنده و خواص مطلوب نورتابی از مراکز NV- (شدت قوی، تحریک و تشخیص آسان، پایداری زمانی و غیره) است. در مقایسه با الماس‌های تک بلوری بزرگ، نانوالماس‌ها ارزان هستند (حدود 1 دلار در هر گرم) و از تامین‌کنندگان مختلف در دسترس هستند. NV -این مراکز در پودرهای الماس با اندازه ذرات زیر میکرومتر با استفاده از فرآیند استاندارد تابش و بازپخت که در بالا توضیح داده شد تولید می شوند. با توجه به اندازه نسبتا کوچک نانوالماس، مراکز NV را می توان با تابش نانوالماس ۱۰۰ نانومتر یا کمتر با پرتو H+ با انرژی متوسط تولید کرد. این روش با کاهش دوز یونی و واکنش مورد نیاز، تولید انبوه نانوالماس فلورسنت را در آزمایشگاه معمولی ممکن می‌سازد. [53] نانوالماس فلورسنت تولید شده با چنین روشی روشن و پایدار است و آن را برای ردیابی طولانی مدت و سه بعدی تک ذره در سلول زنده عالی می کند. [54] آن نانوالماس ها در یک سلول معرفی می شوند و درخشندگی آنها با استفاده از یک میکروسکوپ فلورسانس استاندارد نظارت می شود . [55]

علاوه بر این ، مرکز NV- یک سیستم تقلیدی زیستی بالقوه برای شبیه‌سازی دینامیک اسپین جفت رادیکال قطب‌نمای پرندگان فرض شده است. [56] [57]

انتشار تحریک شده از مرکز NV- نشان داده شده است، اگرچه می توان آن را فقط از باند جانبی فونون (یعنی نور باند پهن) و نه از ZPL به دست آورد. برای این منظور، مرکز باید در طول موجی بیشتر از ~650 نانومتر برانگیخته شود، زیرا تحریک با انرژی بالاتر مرکز را یونیزه می کند. [58]

اولین میزر دمای اتاق با موج پیوسته نشان داده شده است. [59] [60] از مراکز NV- پمپ شده 532 نانومتری استفاده کرد که در یک حفره مایکروویو با فاکتور پرسل بالا و یک میدان مغناطیسی خارجی 4300 G قرار داشتند.

مرکز NV می تواند یک زمان انسجام چرخشی بسیار طولانی داشته باشد که به رژیم دوم نزدیک می شود. [61] این برای کاربردها در سنجش کوانتومی [62] و ارتباطات کوانتومی سودمند است . [63] معایب برای این کاربردها طول عمر تابشی طولانی (~12 ns [64] [65] ) مرکز NV و باند جانبی فونون قوی در طیف انتشار آن است. هر دو مشکل را می توان با قرار دادن مرکز NV در یک حفره نوری برطرف کرد . [66]

سخنان تاریخی [ ویرایش ]

مدل میکروسکوپی و اکثر ویژگی‌های نوری مجموعه‌های مراکز NV- در دهه 1970 بر اساس اندازه‌گیری‌های نوری همراه با تنش تک محوری [2] و بر رزونانس پارامغناطیس الکترون به‌طور محکم ایجاد شده‌اند. [5] [6] با این حال، یک خطای جزئی در نتایج EPR (فرض می‌شد که برای مشاهده سیگنال‌های NV - EPR نیاز به روشنایی است) منجر به تخصیص‌های چندگانگی نادرست در ساختار سطح انرژی شد. در سال 1991 نشان داده شد که EPR را می توان بدون روشنایی مشاهده کرد، [7] که طرح سطح انرژی نشان داده شده در بالا را ایجاد کرد. تقسیم مغناطیسی در حالت برانگیخته اخیراً اندازه گیری شده است. [18]

توصیف مراکز تک NV- امروزه به یک زمینه بسیار رقابتی تبدیل شده است، با ده ها مقاله منتشر شده در معتبرترین مجلات علمی. یکی از اولین نتایج در سال 1997 گزارش شد. [8] در آن مقاله، نشان داده شد که فلورسانس مراکز منفرد NV- را می توان با میکروسکوپ فلورسانس در دمای اتاق تشخیص داد و این نقص پایداری کامل در نور را نشان می دهد. همچنین یکی از ویژگی های برجسته مرکز NV نشان داده شد، یعنی تشدید مغناطیسی نوری تشخیص داده شده در دمای اتاق.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen-vacancy_center

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:10 توسط علی رضا نقش |

کامپیوتر کوانتومی کین

کامپیوتر کوانتومی کین پیشنهادی برای یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس پذیر است که توسط بروس کین در سال 1998 پیشنهاد شد، [1] که در آن زمان در دانشگاه نیو ساوت ولز بود. کامپیوتر کین که اغلب به عنوان ترکیبی بین نقاط کوانتومی و رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) کامپیوترهای کوانتومی در نظر گرفته می‌شود، مبتنی بر آرایه‌ای از اتم‌های اهداکننده فسفر منفرد است که در یک شبکه سیلیکونی خالص جاسازی شده‌اند. هم اسپین های هسته ای دهنده ها و هم اسپین های الکترون های دهنده در محاسبات شرکت می کنند.

برخلاف بسیاری از طرح‌های محاسباتی کوانتومی، کامپیوتر کوانتومی کین در اصل تا تعداد دلخواه کیوبیت مقیاس‌پذیر است. این امکان پذیر است زیرا کیوبیت ها ممکن است به صورت جداگانه توسط وسایل الکتریکی آدرس دهی شوند.

توضیحات [ ویرایش ]

پیشنهاد اولیه خواستار قرار دادن اهداکنندگان فسفر در آرایه‌ای با فاصله 20 نانومتر ، تقریباً 20 نانومتر زیر سطح است. یک لایه اکسید عایق در بالای سیلیکون رشد می کند. گیت های فلزی A روی اکسید بالای هر اهداکننده و دروازه های J بین اهداکننده های مجاور قرار می گیرند.

اهداکنندگان فسفر از نظر ایزوتوپی خالص 31 P هستند که دارای اسپین هسته ای 1/2 هستند. بستر سیلیکونی از نظر ایزوتوپی 28 Si خالص است که دارای اسپین هسته ای 0 است. استفاده از اسپین هسته ای اهداکنندگان P به عنوان روشی برای رمزگذاری کیوبیت ها دو مزیت عمده دارد. اولاً، این حالت دارای زمان ناهمدوسی بسیار طولانی است، شاید در حدود 10 18 ثانیه در دمای میلی‌کلوین . ثانیاً، کیوبیت‌ها را می‌توان با اعمال یک میدان مغناطیسی نوسانی ، مانند پیشنهادات NMR معمولی، دستکاری کرد. با تغییر ولتاژ در گیت های A، باید بتوان فرکانس لارمور را تغییر داداهداکنندگان فردی این به آنها اجازه می دهد تا به صورت جداگانه مورد بررسی قرار گیرند و اهداکنندگان خاص با میدان مغناطیسی نوسانی اعمال شده در رزونانس قرار گیرند.

اسپین های هسته ای به تنهایی با سایر اسپین های هسته ای در فاصله 20 نانومتری تعامل قابل توجهی ندارند. اسپین هسته ای برای انجام عملیات تک کیوبیتی مفید است، اما برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، عملیات دو کیوبیتی نیز لازم است. این نقش اسپین الکترون در این طرح است. تحت کنترل A-gate، اسپین از هسته به الکترون دهنده منتقل می شود. سپس، یک پتانسیل به گیت J اعمال می‌شود و الکترون‌های دهنده مجاور را به یک ناحیه مشترک می‌کشد و برهمکنش بین اسپین‌های همسایه را بسیار افزایش می‌دهد. با کنترل ولتاژ گیت J، عملیات دو کیوبیتی امکان پذیر است.

پیشنهاد کین برای بازخوانی، اعمال میدان الکتریکی برای تشویق تونل زدن وابسته به اسپین یک الکترون برای تبدیل دو دهنده خنثی به حالت D + –D – بود، یعنی حالتی که در آن دو الکترون با دهنده یکسان مرتبط می‌شوند. سپس بار اضافی با استفاده از یک ترانزیستور تک الکترونی تشخیص داده می شود. این روش دو مشکل عمده دارد. اولاً، حالت D دارای جفت شدن قوی با محیط و در نتیجه زمان عدم انسجام کوتاه است. ثانیا و شاید مهمتر از آن، روشن نیست که حالت D دارای طول عمر کافی برای بازخوانی تونل های الکترونی به نوار رسانایی باشد.

توسعه [ ویرایش ]

از زمان پیشنهاد کین، تحت هدایت رابرت کلارک و اکنون میشل سیمونز ، پیگیری تحقق کامپیوتر کوانتومی کین به تلاش اولیه محاسبات کوانتومی در استرالیا تبدیل شده است. [2] نظریه پردازان تعدادی پیشنهاد برای بازخوانی بهبود یافته ارائه کرده اند. به طور تجربی، رسوب دقیق اتمی اتم‌های فسفر با استفاده از تکنیک میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) در سال 2003 به دست آمده است. این گروه همچنان خوشبین هستند که می توان یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخت. گروه های دیگر معتقدند که این ایده باید اصلاح شود.[4]

در سال 2020، آندریا مورلو و دیگران نشان دادند که یک هسته آنتیموان (با هشت حالت اسپین) تعبیه شده در سیلیکون را می توان با استفاده از یک میدان الکتریکی به جای میدان مغناطیسی کنترل کرد. [5]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منبع

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:49 توسط علی رضا نقش |

کیوبیت الکترون بر هلیوم

(برگرفته از Electron-on-Helium Qubit )

کیوبیت الکترون روی هلیوم یک بیت کوانتومی است که حالت‌های پایه متعارف آن |0〉 و |1〉 توسط حالت‌های حرکتی کوانتیزه شده یا حالت‌های اسپین الکترونی به دام افتاده در بالای سطح هلیوم مایع تعریف می‌شوند . [1] [2] کیوبیت الکترون روی هلیوم به عنوان عنصر اساسی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی با الکترون روی هلیوم توسط پلاتزمن و دایکمن در سال 1999 پیشنهاد شد. [3]

تصویر شماتیک کیوبیت های الکترون روی هلیوم. درجه آزادی ریدبرگ (چپ)، اسپین (مرکز) و مداری (راست) به عنوان حالت های پایه برای محاسبات کوانتومی پیشنهاد شده است.

تاریخچه الکترون ها بر روی هلیوم [ ویرایش ]

اتصال الکتریکی الکترون ها به سطح هلیوم مایع برای اولین بار توسط بروشی و همکارانش در سال 1966 به صورت تجربی نشان داده شد . توسط Shikin در سال 1970. [6] یک الکترون نزدیک به سطح هلیوم مایع نیروی جاذبه ای را به دلیل تشکیل یک ضعیف (~0.01 e) تجربه می کند.) بار تصویر در مایع دی الکتریک. با این حال، الکترون از ورود به مایع توسط یک مانع بالا (~1 eV) که در سطح به دلیل دافعه هسته سخت الکترون توسط اتم های هلیوم تشکیل شده است، جلوگیری می کند. در نتیجه، الکترون در خارج از مایع به دام می افتد. انرژی الکترون در این چاه پتانسیل در یک سری هیدروژن مانند با ثابت ریدبرگ اصلاح شده R He کوانتیزه می شود. ≈ $\ تقریبا$ 10-4 RH . _ _ انرژی های اتصال زمین ( 1= n ) و حالت اول برانگیخته شده ( 2= n ) به ترتیب 6/7- K و 9/1- کلوین است و چون انرژی مورد نیاز برای تحریک بیشتر از دمای آزمایشی معمولی است.≲ $\lesssim$ 1 K)، الکترون در حالت پایه باقی می ماند و چندین نانومتر بالای سطح مایع به دام افتاده است. اولین شواهد طیف‌سنجی برای این حالت‌های سطحی توسط گریمز و همکارانش در سال 1976 ارائه شد .

حرکت الکترون موازی با سطح هلیوم آزاد است و از آنجایی که سطح آن عاری از ناخالصی است، الکترون می تواند با تحرک بی سابقه در سراسر هلیوم حرکت کند. [8] سطح مایع می‌تواند چگالی الکترون‌ها را تا حد الکتروهیدرودینامیکی 2.4×10 9 سانتی‌متر مربع تحمل کند ، که بسیار کمتر از آنچه معمولاً در گازهای الکترونی دو بعدی نیمه‌رسانا به‌دست می‌آید . برای چنین چگالی های پایینی، سیستم الکترونی با آمارهای غیر انحطاط توصیف می شود و به دلیل برهم کنش کولنهلیوم بین الکترون‌ها تنها به‌طور ضعیفی غربال می‌شود، موقعیت مکانی یک الکترون در لایه دوبعدی به شدت با موقعیت همسایه‌هایش در ارتباط است. در دماهای پایین (معمولاً زیر 1 کلوین)، انرژی برهمکنش کولن بر انرژی گرمایی الکترون غلبه می‌کند و الکترون‌ها یک شبکه مثلثی دوبعدی، جامد کلاسیک ویگنر را تشکیل می‌دهند . [9] چگالی سطح را می‌توان به سمت رژیم منحط فرمی روی لایه‌های هلیوم نازک که بسترهای جامد را می‌پوشاند، یا روی سایر بسترهای برودتی که میل الکترونی منفی مانند هیدروژن جامد یا نئون را نشان می‌دهند، افزایش داد، اگرچه اندازه‌گیری روی این بسترها معمولاً توسط سطح مانع می‌شود. خشونت. [10]

الف) دستگاه اسپلیت گیت برای الکترون های روی هلیوم که برای اندازه گیری انتقال تک الکترون استفاده می شود. الکترون‌های سطحی از مخزن میکروکانال چپ به مخزن میکروکانال سمت راست از طریق یک انقباض ایجاد شده توسط یک الکترود شکاف گیت حرکت می‌کنند. (ب) در دماهای پایین، اثرات کلاسیک نظم دهی الکترون باعث ایجاد فلات های جاری می شود که مربوط به 1، 2 ... الکترون هایی است که در کنار هم از انقباض عبور می کنند.

از دهه 1970، الکترون‌های روی هلیوم برای مطالعه خواص مایعات و جامدات الکترون دوبعدی، و همچنین زیرلایه هلیوم مایع ( 4 He یا 3 He) مورد استفاده قرار گرفته‌اند. زمینه های قابل توجه پژوهش عبارتند از: تحریکات جمعی الکترون [11] و اثرات مگنتوپلاسمون لبه، [12] پدیده های حمل و نقل چند جسمی و ذوب Kosterlitz -Thouless در 2 بعدی، [13] اثرات پلارونیک در فصل مشترک هلیوم، [14] مشاهده امواج مایکروویو- القای حالت‌های مقاومت صفر [15] و حالت‌های تراکم‌ناپذیر [16] در گاز الکترونی منحط نشده، و نقشه‌برداری بافت ابرسیال 3او از طریق برهمکنش بین الکترون جامد و تحریکات شبه ذره در ابر سیال. [17] در سال‌های اخیر، کانال‌های هلیوم در مقیاس میکرونی با الکترودهای دروازه زیرسطحی برای ایجاد دستگاه‌هایی استفاده شده‌اند که در آن الکترون‌های تک حالت سطحی می‌توانند دستکاری شوند، [18] [19] ادغام الکترون‌های هلیوم با نیمه‌رسانا را تسهیل می‌کنند. معماری دستگاه و مدارهای ابررسانا

طرح‌های محاسبات کوانتومی پیشنهادی - حالت‌های ریدبرگ، اسپین و مداری [ ویرایش ]

در پیشنهاد Platzman و Dykman، سطح انرژی زمین و اولین سطح انرژی ریدبرگ الکترون‌ها که در بالای الکترودهای غوطه‌ور در زیر سطح هلیوم به دام افتاده‌اند، به عنوان حالت‌های پایه کیوبیت پیشنهاد شدند. دمای پایین ذاتی سیستم به آماده سازی ساده کیوبیت در حالت پایه اجازه می دهد. عملیات کیوبیت از طریق تحریک انتقال Rydberg با میدان‌های مایکروویو تشدید در فرکانس‌های ~120 گیگاهرتز انجام شد. برهمکنش های کیوبیت با برهمکنش کولن دوربرد بین الکترون ها تسهیل شد. خواندن کیوبیت با یونیزاسیون انتخابی الکترون های برانگیخته از سطح هلیوم به دست آمد. در سال 2000، لی و همکارانش پیشنهاد کردند که خواندن کیوبیت را می توان با استفاده از یک ترانزیستور تک الکترونی به دست آورد.دستگاه (SET) که در زیر هلیوم قرار دارد. [20]

در سال 2006، لیون پیشنهاد کرد که حالت اسپین یک الکترون روی هلیوم نیز می تواند به عنوان کیوبیت استفاده شود. [21] یک معماری شبیه CCD برای کنترل سیستم چند کیوبیتی با برهمکنش دوقطبی-دوقطبی پیشنهاد شد که به عملیات گیت دو کیوبیتی برای اسپین های مجاور اجازه می دهد. یک میدان مغناطیسی سراسری موازی با سطح هلیوم، محوری را برای تحریک اسپین فراهم می‌کند، با میدان‌های مغناطیسی محلی اعمال شده توسط هادی‌های غوطه‌ور که برای ایجاد رزونانس اسپین‌ها با میدان‌های مایکروویو برای تحریک کیوبیت استفاده می‌شود. تعامل تبادل برای کیوبیت های مجاور به عنوان یک طرح خواندن پیشنهاد شد، همانطور که در دستگاه های نیمه هادی دو نقطه کوانتومی نشان داده شده است.

در سال 2010 شوستر و همکارانش پیشنهاد کردند که برای یک الکترون در یک پتانسیل به دام انداختن جانبی، حالات مداری برای حرکت موازی با سطح هلیوم می تواند به عنوان حالت های پایه کیوبیت استفاده شود. [22] تله الکترونی در یک دستگاه حفره همسطح ابررسانا ادغام شد . نشان داده شد که مانند بسیاری از سیستم‌های کیوبیت ابررسانا، تبادل رزونانسی فوتون‌های مایکروویو بین الکترون به دام افتاده و حفره را می‌توان با جینز-کامینگز همیلتونی توصیف کرد.. کیوبیت های دور را می توان از طریق یک گذرگاه حفره ای جفت کرد. همچنین نشان داده شد که گرادیان‌های میدان مغناطیسی محلی می‌توانند بین حالت اسپین الکترون و حرکت جانبی جفت شوند و خواندن حالت اسپین را از طریق طیف‌سنجی مایکروویو حفره تسهیل کنند.

عدم انسجام [ ویرایش ]

در هر کامپیوتر کوانتومی ناهمدوسیتابع موج کیوبیت، به دلیل آرامش انرژی یا اثرات کاهش فاز، باید به یک نرخ مناسب محدود شود. برای کیوبیت‌های الکترون روی هلیوم، تغییر شکل‌های سطح هلیوم به دلیل تحریک‌های سطحی یا توده‌ای (ریپلون یا فونون) پتانسیل بار تصویر را تغییر داده و تابع موج الکترون را مخدوش می‌کند. بنابراین، برای حالت‌های ریدبرگ و مداری، انتظار می‌رود که منبع اصلی ناهمدوسی، انتشار امواج ریپلون یا فونون در زیرلایه هلیوم باشد. با این حال، انتظار می‌رود که نرخ فروپاشی ناشی از این فرآیندها در مقایسه با سرعتی که می‌توان عملیات کیوبیت را در آن انجام داد (~10 ns) آهسته باشد (~100 میکرو ثانیه). برای حالت اسپین، خلوص ذاتی محیط کیوبیت و اندرکنش ضعیف مدار اسپین برای الکترونی که در بالای سطح هلیوم حرکت می‌کند، منجر به زمان‌های همدوسی پیش‌بینی‌شده می‌شود.> $>$ 1 ثانیه

تحولات کنونی [ ویرایش ]

اولین به دام انداختن و تشخیص تک تک الکترون ها بر روی هلیوم توسط لی و همکارانش در سال 2005 با استفاده از یک تله پر از هلیوم در مقیاس میکرون و یک ترانزیستور تک الکترونی در زیر سطح برای شمارش الکترون ها نشان داده شد. [23] این آزمایش همچنین اولین جفت شدن بین یک الکترون روی هلیوم و یک مدار کوانتومی ابررسانا را نشان داد. متعاقبا، آزمایش‌های دیگر پیشرفتی را در جهت کنترل منسجم تک تک الکترون‌ها بر روی هلیوم نشان داده‌اند. اینها شامل کلاکینگ الکترونی بسیار کارآمد در دستگاه‌های CCD میکروکانالی، [24] اندازه‌گیری‌های انتقال تک الکترون کنترل‌شده، [25] و به دام انداختن و دستکاری آرایه‌های الکترونی 1 بعدی، [26]در سال 2019، کولسترا و همکارانش در دانشگاه شیکاگو جفت شدن یک الکترون منفرد روی هلیوم را به یک حفره مایکروویو ابررسانا، با قدرت جفت g /2π ~ 5 مگاهرتز بسیار بزرگتر از عرض خط تشدید کننده ~ 0.5 مگاهرتز نشان دادند. [27] در سال 2020، محققان دانشگاه ایالتی میشیگان و EeroQ نتایج جدید و پیشرفت ساخت را بر روی طراحی تراشه الکترون روی هلیوم با استفاده از حالت حرکتی جانبی الکترون، در فرکانس‌هایی در محدوده 5-10 گیگاهرتز، با استفاده از یک تک ارائه کردند. -دستگاه بازخوانی ترانزیستور الکترونی [28]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Electron-on-helium_qubit

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:47 توسط علی رضا نقش |

محاسبات کوانتومی نوری خطی

محاسبات کوانتومی نوری خطی یا محاسبات کوانتومی اپتیک خطی ( LOQC ) یک الگوی محاسبات کوانتومی است که (تحت شرایط خاصی که در زیر توضیح داده شده است) محاسبات کوانتومی جهانی را امکان پذیر می کند. LOQC از فوتون ها به عنوان حامل اطلاعات استفاده می کند، عمدتاً از عناصر نوری خطی یا ابزارهای نوری (شامل آینه های متقابل و صفحات موج ) برای پردازش اطلاعات کوانتومی استفاده می کند و از آشکارسازهای فوتون و حافظه های کوانتومی برای شناسایی و ذخیره اطلاعات کوانتومی استفاده می کند. [1] [2] [3]

نمای کلی [ ویرایش ]

اگرچه بسیاری از پیاده‌سازی‌های دیگر برای پردازش اطلاعات کوانتومی (QIP) و محاسبات کوانتومی وجود دارد، سیستم‌های کوانتومی نوری نامزدهای برجسته‌ای هستند، زیرا محاسبات کوانتومی و ارتباطات کوانتومی را در یک چارچوب به هم مرتبط می‌کنند. در سیستم‌های نوری برای پردازش اطلاعات کوانتومی، واحد نور در یک حالت معین – یا فوتون – برای نمایش یک کیوبیت استفاده می‌شود . برهم نهی حالت های کوانتومی را می توان به راحتی با استفاده از فوتون ها نمایش، رمزگذاری ، انتقال و تشخیص داد. علاوه بر این، عناصر نوری خطی سیستم های نوری ممکن است ساده ترین بلوک های سازنده برای تحقق عملیات کوانتومی و دروازه های کوانتومی باشند.. هر عنصر نوری خطی به طور معادل یک تبدیل واحد را روی تعداد محدودی کیوبیت اعمال می کند. سیستم عناصر نوری خطی محدود شبکه ای از اپتیک خطی را می سازد که می تواند هر نمودار مدار کوانتومی یا شبکه کوانتومی را بر اساس مدل مدار کوانتومی تحقق بخشد. محاسبات کوانتومی با متغیرهای پیوسته نیز تحت طرح اپتیک خطی امکان پذیر است. [4]

جهانی بودن گیت های 1 و 2 بیتی برای اجرای محاسبات کوانتومی دلخواه ثابت شده است. [5] [6] [7] [8] تان×ن $N\ برابر N$ عملیات ماتریس واحد ((ن) $U(N)$ ) را می توان تنها با استفاده از آینه ها، تقسیم کننده های پرتو و شیفترهای فاز [9] محقق کرد (این نیز نقطه شروع نمونه گیری بوزون و تحلیل پیچیدگی محاسباتی برای LOQC است). اشاره می کند که هر یک(ن) $U(N)$ اپراتور بان $ن$ ورودی ها ون $ن$ خروجی ها را می توان از طریق ساخت(ن2) ${\mathcal {O}}(N^{2})$ عناصر نوری خطی بر اساس دلیل جهانی بودن و پیچیدگی، LOQC معمولاً فقط از آینه‌ها، تقسیم‌کننده‌های پرتو، شیفترهای فاز و ترکیبات آنها مانند تداخل‌سنج‌های Mach-Zehnder با تغییر فاز برای پیاده‌سازی عملگرهای کوانتومی دلخواه استفاده می‌کند. در صورت استفاده از یک طرح غیر قطعی، این واقعیت همچنین نشان می‌دهد که LOQC می‌تواند از نظر تعداد عناصر نوری و گام‌های زمانی مورد نیاز برای پیاده‌سازی یک دروازه یا مدار کوانتومی خاص، از نظر منابع ناکارآمد باشد، که یک اشکال بزرگ LOQC است.

عملیات از طریق عناصر نوری خطی (شکاف پرتو، آینه و تغییر فاز، در این مورد) آمار فوتون نور ورودی را حفظ می کند. به عنوان مثال، یک ورودی نور منسجم (کلاسیک) یک خروجی نور منسجم تولید می کند. برهم نهی ورودی حالت های کوانتومی خروجی حالت نور کوانتومی را به دست می دهد . [3] به همین دلیل، مردم معمولاً از کیس منبع تک فوتونی برای تجزیه و تحلیل اثر عناصر و عملگرهای نوری خطی استفاده می‌کنند. موارد چند فوتونی را می توان از طریق برخی از تبدیل های آماری دلالت کرد.

یک مشکل ذاتی در استفاده از فوتون ها به عنوان حامل اطلاعات این است که فوتون ها به سختی با یکدیگر تعامل دارند. این به طور بالقوه باعث ایجاد یک مشکل مقیاس پذیری برای LOQC می شود، زیرا اجرای عملیات غیرخطی سخت است، که می تواند پیچیدگی عملگرها را افزایش دهد و در نتیجه می تواند منابع مورد نیاز برای تحقق یک تابع محاسباتی معین را افزایش دهد. یکی از راه های حل این مشکل، آوردن دستگاه های غیرخطی به شبکه کوانتومی است. به عنوان مثال، اثر کر را می توان در LOQC اعمال کرد تا یک فوتون کنترل شده-NOT و سایر عملیات ها را ایجاد کند. [10] [11]

پروتکل KLM [ ویرایش ]

مقاله اصلی: پروتکل KLM

اعتقاد بر این بود که افزودن غیرخطی بودن به شبکه نوری خطی برای تحقق محاسبات کوانتومی کارآمد کافی است. [12] با این حال، اجرای اثرات نوری غیرخطی کار دشواری است. در سال 2000، Knill، Laflamme و Milburn ثابت کردند که می توان کامپیوترهای کوانتومی جهانی را تنها با ابزارهای نوری خطی ایجاد کرد. [2] کار آنها به عنوان "طرح KLM" یا " پروتکل KLM " شناخته شده است، که از عناصر نوری خطی، منابع تک فوتون و آشکارسازهای فوتون به عنوان منابع برای ساختن یک طرح محاسباتی کوانتومی استفاده می‌کند که فقط شامل منابع جانبی ، انتقال از راه دور کوانتومی و تصحیح خطا می‌شود.. از روش دیگری برای محاسبات کوانتومی کارآمد با سیستم‌های نوری خطی استفاده می‌کند و عملیات غیرخطی را فقط با عناصر نوری خطی ترویج می‌کند. [3]

در اصل، طرح KLM با انجام اندازه‌گیری‌های تصویری با آشکارسازهای نوری ، که در دسته محاسبات کوانتومی غیر قطعی قرار می‌گیرد، تعامل مؤثری بین فوتون‌ها ایجاد می‌کند. این بر اساس یک تغییر علامت غیر خطی بین دو کیوبیت است که از دو فوتون آنسیلا و پس‌انتخاب استفاده می‌کند. [13] همچنین بر اساس شواهدی است که احتمال موفقیت دروازه‌های کوانتومی را می‌توان با استفاده از حالت‌های درهم تنیده تهیه‌شده به صورت غیر قطعی و تله‌پورت کوانتومی با عملیات تک کیوبیتی نزدیک به یک ساخت [14] [15]در غیر این صورت، بدون نرخ موفقیت کافی برای یک واحد دروازه کوانتومی، ممکن است به مقدار نمایی از منابع محاسباتی نیاز داشته باشد. در همین حال، طرح KLM بر این واقعیت استوار است که کدگذاری کوانتومی مناسب می‌تواند منابع را برای به دست آوردن کیوبیت‌های رمزگذاری شده دقیق با توجه به دقت به‌دست‌آمده کاهش دهد و می‌تواند LOQC را برای از دست دادن فوتون، ناکارآمدی آشکارساز و ناهمدوسی فاز مقاوم کند. در نتیجه، LOQC را می توان به طور قوی از طریق طرح KLM با نیاز به منابع کم به اندازه کافی برای پیشنهاد مقیاس پذیری عملی پیاده سازی کرد، که آن را به عنوان یک فناوری امیدوارکننده برای QIP مانند سایر پیاده سازی های شناخته شده می سازد.

نمونه برداری بوزون [ ویرایش ]

مقاله اصلی: نمونه برداری بوزون

مدل نمونه برداری محدودتر بوزون توسط آرونسون و آرخیپوف در سال 2010 پیشنهاد و تجزیه و تحلیل شد . مسئله نمونه برداری بوزون در 3 دسامبر 2020، تیمی به رهبری فیزیکدان چینی پان جیانوی (潘建伟) و لو چائویانگ (陆朝阳) از دانشگاه علم و فناوری چین در هفی ، استان آنهویی ، نتایج خود را به علم ارائه کردند که در آن آنها مشکلی را حل کردند که عملا غیرقابل مقابله بود. توسط هر کامپیوتر کلاسیک؛ در نتیجه برتری کوانتومی را اثبات می کندرایانه کوانتومی مبتنی بر فوتون آنها به نام رایانه کوانتومی جیو ژانگ (九章量子计算机). [17] مشکل نمونه برداری بوزون در 200 ثانیه حل شد، آنها تخمین زدند که حل ابررایانه Sunway TaihuLight چین 2.5 میلیارد سال طول می کشد - برتری کوانتومی در حدود 10^14. جیو ژانگ به افتخار قدیمی ترین متن ریاضی باقیمانده چین (Jiǔ zhāng suàn shù) نه فصل در هنر ریاضی نامگذاری شد [18]

مواد لازم [ ویرایش ]

معیارهای DiVincenzo برای محاسبات کوانتومی و QIP [19] [20] نشان می دهد که یک سیستم جهانی برای QIP باید حداقل شرایط زیر را برآورده کند:

یک سیستم فیزیکی مقیاس پذیر با کیوبیت های مشخص،
توانایی مقداردهی اولیه وضعیت کیوبیت ها به یک حالت ساده ساده، مانند|000⋯〉 $|000\cdots \مقاله$ ،
زمان‌های ناپیوستگی مرتبط طولانی، بسیار بیشتر از زمان عملیات گیت،
مجموعه ای "جهانی" از دروازه های کوانتومی (این الزام توسط یک سیستم غیرجهانی نمی تواند برآورده شود)
قابلیت اندازه گیری کیوبیت خاص؛
اگر سیستم ارتباط کوانتومی را نیز هدف قرار دهد، باید حداقل دو الزام زیر را نیز برآورده کند:
توانایی تبدیل کیوبیت های ثابت و پرنده و
توانایی انتقال صادقانه کیوبیت های پرنده بین مکان های مشخص شده.

در نتیجه استفاده از فوتون‌ها و مدارهای نوری خطی، به طور کلی سیستم‌های LOQC می‌توانند به راحتی شرایط 3، 6 و 7 را برآورده کنند . به منظور بحث در مورد مزایا و معایب LOQC به عنوان نامزد QIP

کیوبیت ها و حالت ها [ ویرایش ]

کیوبیت یکی از واحدهای QIP اساسی است. یک حالت کیوبیت که می توان آن را با آن نشان داد $\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle$ یک حالت برهم نهی است که اگر بر اساس متعارف اندازه گیری شود $\{|0\rangle ,|1\rangle \}$ ، احتمال دارد||2 $|\alpha |^{2}$ از بودن در $|0\رنگ$ حالت و احتمال||2 $|\beta |^{2}$ از بودن در|1〉 $|1\رنگ$ ایالت، $|\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1$ شرایط عادی سازی است. حالت نوری یک کانال ارتباطی نوری قابل تشخیص است که معمولاً توسط زیرنویس های یک حالت کوانتومی برچسب گذاری می شود. راه های زیادی برای تعریف کانال های ارتباطی نوری قابل تشخیص وجود دارد. به عنوان مثال، مجموعه ای از حالت ها می تواند قطبش نور متفاوت باشد که می تواند با عناصر نوری خطی، فرکانس های مختلف یا ترکیبی از دو حالت بالا انتخاب شود.

در پروتکل KLM، هر یک از فوتون ها معمولاً در یکی از دو حالت هستند و حالت ها بین فوتون ها متفاوت است (احتمال اشغال یک مد توسط بیش از یک فوتون صفر است). این مورد فقط در هنگام پیاده سازی دروازه های کوانتومی کنترل شده مانند CNOT صدق نمی کند. هنگامی که وضعیت سیستم همانطور که توضیح داده شد، فوتون ها را می توان متمایز کرد، زیرا آنها در حالت های مختلف هستند، و بنابراین یک حالت کیوبیت را می توان با استفاده از یک فوتون منفرد در دو حالت عمودی (V) و افقی (H) نشان داد: مثال، $|0\rangle \equiv |0,1\rangle _{VH}$ و $|1\rangle \equiv |1,0\rangle _{VH}$ . مرسوم است که به حالت هایی که از طریق اشغال حالت ها به عنوان حالت های Fock تعریف می شوند، اشاره کنیم .

در نمونه‌برداری بوزون، فوتون‌ها متمایز نمی‌شوند و بنابراین نمی‌توانند مستقیماً حالت کیوبیت را نشان دهند. در عوض، ما حالت کیوبیت کل سیستم کوانتومی را با استفاده از حالت های Fock نشان می دهیم $م$ حالت هایی که توسط $ن$ تک فوتون های غیر قابل تشخیص (این یک است ${\tbinom {M+N-1}{M}}$ سیستم کوانتومی سطح).

آماده سازی حالت [ ویرایش ]

برای تهیه یک حالت کوانتومی چند فوتونی مورد نظر برای LOQC، ابتدا یک حالت تک فوتونی مورد نیاز است. بنابراین از عناصر نوری غیرخطی مانند ژنراتورهای تک فوتون و برخی از ماژول‌های نوری استفاده می‌شود. به عنوان مثال، تبدیل پارامتری نوری به پایین می تواند برای تولید مشروط استفاده شود $|1\rangle \equiv |1,0\rangle _{VH}$ حالت در کانال قطبش عمودی در زمانتی $تی$ (زیرنویس ها برای این مورد تک کیوبیت نادیده گرفته می شوند). با استفاده از یک منبع تک فوتون شرطی، وضعیت خروجی تضمین می شود، اگرچه ممکن است چندین تلاش (بسته به میزان موفقیت) نیاز داشته باشد. یک حالت چند کیوبیتی مشترک را می توان به روشی مشابه تهیه کرد. به طور کلی، یک حالت کوانتومی دلخواه می تواند برای QIP با مجموعه ای مناسب از منابع فوتون ایجاد شود.

پیاده سازی دروازه های کوانتومی ابتدایی [ ویرایش ]

برای دستیابی به محاسبات کوانتومی جهانی، LOQC باید قادر به تحقق مجموعه کاملی از دروازه های جهانی باشد. این را می توان در پروتکل KLM به دست آورد اما در مدل نمونه برداری بوزون نمی توان به آن دست یافت.

با نادیده گرفتن تصحیح خطا و سایر مسائل، اصل اساسی در پیاده سازی گیت های کوانتومی ابتدایی با استفاده از آینه ها، تقسیم کننده های پرتو و شیفترهای فاز این است که با استفاده از این عناصر نوری خطی ، می توان هر عملیات واحد دلخواه 1 کیوبیتی را ساخت. به عبارت دیگر، آن عناصر نوری خطی مجموعه کاملی از عملگرها را روی هر کیوبیت واحد پشتیبانی می‌کنند.

ماتریس واحد مرتبط با یک تقسیم کننده پرتوب، ${\mathbf {B}}_{{\theta،\phi }}$ است:

$U(\mathbf {B} _{\theta ,\phi })={\begin{bmatrix}\cos \theta &-e^{i\phi }\sin \theta \\e^{-i \phi }\sin \theta &\cos \theta \end{bmatrix}}$ ،

جایی که $تتا$ و $\phi$ با دامنه بازتاب تعیین می شود $r$ و دامنه انتقال $تی$ (رابطه بعدا برای یک مورد ساده تر داده خواهد شد). برای یک تقسیم کننده پرتو متقارن که دارای تغییر فاز است $\phi ={\frac {\pi }{2}}$ تحت شرایط تبدیل $|t|^{2}+|r|^{2}=1$ $t^{*}r+tr^{*}=0$ ، می توان آن را نشان داد

$U(\mathbf {B} _{\theta ,\phi ={\frac {\pi }{2}}})={\begin{bmatrix}t&r\\r&t\end{bmatrix}}={ \begin{bmatrix}\cos \theta &-i\sin \theta \\-i\sin \theta &\cos \theta \end{bmatrix}}=\cos \theta {\hat {I}}-i\ sin \theta {\hat {\sigma }}_{x}=e^{-i\theta {\hat {\sigma }}_{x}}$ ،

که چرخشی از حالت تک کیوبیت در مورد است $ایکس$ -محور توسط $2\theta=2\cos^{-1}(|t|)$ در حوزه بلوخ .

آینه یک مورد خاص است که در آن نرخ بازتاب 1 است، به طوری که عملگر واحد مربوطه یک ماتریس چرخشی است که توسط

$R(\theta )={\begin{bmatrix}\cos \theta &-\sin \theta \\\sin \theta &\cos \theta \\\end{bmatrix}}$ .

برای اکثر موارد آینه های مورد استفاده در QIP، زاویه برخورد $\theta =45^{\circ }$ .

به طور مشابه، یک اپراتور تغییر ${\mathbf {P}}_{\phi }$ با یک اپراتور واحد که توسط $U(\mathbf{P}_\phi)=e^{i\phi}$ ، یا اگر در قالب 2 حالته نوشته شده باشد

$U(\mathbf {P} _{\phi })={\begin{bmatrix}e^{i\phi }&0\\0&1\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}e^{ i\phi /2}&0\\0&e^{--i\phi /2}\end{bmatrix}}{\text{(فاز جهانی نادیده گرفته شد)}}=e^{i{\frac {\phi }{ 2}}{\hat {\sigma }}_{z}}$ ،

که معادل چرخش است- $-\phi$ درباره $z$ -محور.

از آنجایی که هر دو $SU (2)$ چرخش در امتداد محورهای دوار متعامد می‌تواند چرخش‌های دلخواه را در کره بلوخ ایجاد کند، می‌توان از مجموعه‌ای از شکاف‌کننده‌ها و آینه‌های متقارن پرتو برای تحقق بخشیدن به دلخواه استفاده کرد. $SU (2)$ اپراتورهای QIP شکل‌های زیر نمونه‌هایی از پیاده‌سازی یک گیت هادامارد و یک دروازه Pauli-X (دروازه NOT) با استفاده از تقسیم‌کننده‌های پرتو (نشان داده شده به صورت مستطیل‌هایی است که دو مجموعه از خطوط عبوری را با پارامترها به هم متصل می‌کنند. $تتا$ و $\phi$ ) و آینه ها (نشان داده شده به صورت مستطیل هایی که دو مجموعه از خطوط متقاطع را با پارامتر به هم متصل می کنند. $R(\theta )$ ).

اجرای دروازه هادامارد با تیر شکاف و آینه. مدار کوانتومی در قسمت بالایی قرار دارد.

اجرای دروازه Pauli-X (NOT gate) با شکاف پرتو. مدار کوانتومی در قسمت بالایی قرار دارد.

در شکل های بالا، یک کیوبیت با استفاده از دو کانال حالت (خطوط افقی) کدگذاری شده است: $\left\vert 0\right\rangle$ نشان دهنده یک فوتون در حالت بالا و $\چپ\vert 1\راست\rangle$ نشان دهنده یک فوتون در حالت پایین است.

استفاده از مدارهای فوتونیک یکپارچه [ ویرایش ]

در واقع، مونتاژ یک دسته کامل (احتمالاً به ترتیب $10^{4}$ [21] ) تقسیم‌کننده‌های پرتو و شیفترهای فاز در یک جدول آزمایشی نوری چالش‌برانگیز و غیر واقعی است. برای اینکه LOQC کاربردی، مفید و فشرده باشد، یک راه حل کوچک کردن تمام عناصر نوری خطی، منابع فوتون و آشکارسازهای فوتون و ادغام آنها در یک تراشه است. در صورت استفاده از یک پلت فرم نیمه هادی ، منابع تک فوتون و آشکارسازهای فوتون را می توان به راحتی ادغام کرد. برای جداسازی حالت‌ها، توری موجبر آرایه‌ای یکپارچه (AWG) وجود دارد که معمولاً به عنوان مولتی پلکسرهای نوری در تقسیم طول موج چندگانه (WDM) استفاده می‌شود. در اصل، تقسیم‌کننده‌های پرتو و سایر عناصر نوری خطی نیز می‌توانند کوچک‌سازی شوند یا با نانوفوتونیک‌های معادل جایگزین شوند.عناصر. برخی از پیشرفت ها در این تلاش ها را می توان در ادبیات، به عنوان مثال، Refs. [22] [23] [24] در سال 2013، اولین مدار فوتونیک یکپارچه برای پردازش اطلاعات کوانتومی با استفاده از موجبر کریستال فوتونی برای درک تعامل بین میدان هدایت شونده و اتم ها نشان داده شد. [25]

مقایسه پیاده سازی ها [ ویرایش ]

مقایسه پروتکل KLM و مدل نمونه برداری بوزون [ ویرایش ]

مزیت پروتکل KLM نسبت به مدل نمونه برداری بوزونی این است که در حالی که پروتکل KLM یک مدل جهانی است، نمونه گیری بوزون جهانی نیست. از سوی دیگر، به نظر می‌رسد که مسائل مقیاس‌پذیری در نمونه‌گیری بوزون نسبت به پروتکل KLM قابل مدیریت‌تر است.

در نمونه‌برداری بوزون تنها یک اندازه‌گیری مجاز است، اندازه‌گیری تمام حالت‌ها در پایان محاسبات. تنها مشکل مقیاس‌پذیری در این مدل از این نیاز ناشی می‌شود که همه فوتون‌ها در یک بازه زمانی کوتاه و با فرکانس‌های کافی نزدیک به آشکارسازهای فوتون برسند. [16]

در پروتکل KLM، دروازه های کوانتومی غیر قطعی وجود دارد که برای جهانی بودن مدل ضروری است. اینها بر انتقال از راه دور دروازه تکیه دارند، جایی که چندین دروازه احتمالی به صورت آفلاین آماده می شوند و اندازه گیری های اضافی در مدار میانی انجام می شود. این دو عامل دلیل مشکلات مقیاس پذیری اضافی در پروتکل KLM هستند.

در پروتکل KLM حالت اولیه مطلوب حالتی است که در آن هر یک از فوتون ها در یکی از دو حالت باشند و احتمال اینکه یک حالت توسط بیش از یک فوتون اشغال شود صفر است. با این حال، در نمونه‌برداری بوزون، حالت اولیه مورد نظر مشخص است و نیاز به اولین حالت دارد $ن$ حالت ها هر کدام توسط یک فوتون اشغال می شوند [16] ( $ن$ تعداد فوتون ها و $M\geq N$ تعداد حالت ها است) و همه حالت های دیگر خالی هستند.

مدل های قبلی [ ویرایش ]

مدل قبلی دیگر که بر نمایش چندین کیوبیت توسط یک فوتون تکیه دارد، بر اساس کار سی. آدامی و ان‌جی سرف است. [1] با استفاده از مکان و قطبش فوتون ها، یک فوتون در این مدل می تواند چندین کیوبیت را نشان دهد. با این حال، در نتیجه، CNOT-gate تنها می تواند بین دو کیوبیت که توسط فوتون یکسان نشان داده شده است، اجرا شود.

شکل های زیر نمونه هایی از ساخت یک دروازه هادامارد معادل و دروازه CNOT با استفاده از شکاف دهنده های پرتو (نشان داده شده به صورت مستطیل هایی است که دو مجموعه از خطوط عبور را با پارامترها به هم متصل می کنند. $تتا$ و $\phi$ ) و تغییر دهنده فاز (به صورت مستطیل روی یک خط با پارامتر نشان داده شده است $\phi$ ).

اجرای گیت هادامارد بر روی کیوبیت "موقعیت" با تقسیم کننده پرتو و شیفترهای فاز. مدار کوانتومی در قسمت بالایی قرار دارد.

اجرای دروازه کنترل شده-NOT با شکاف پرتو. مدار کوانتومی در قسمت بالایی قرار دارد.

در تحقق نوری گیت CNOT، قطبش و مکان به ترتیب کیوبیت کنترل و هدف هستند.

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_optical_quantum_computing

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:25 توسط علی رضا نقش |

5-کامپیوتر کوانتومی

مهندسی[ ویرایش ]

ویفری از کامپیوترهای کوانتومی آدیاباتیک

چالش ها [ ویرایش ]

تعدادی از چالش های فنی در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ وجود دارد. [78] فیزیکدان دیوید دی وینچنزو این الزامات را برای یک کامپیوتر کوانتومی عملی فهرست کرده است : [79]

از نظر فیزیکی مقیاس پذیر برای افزایش تعداد کیوبیت ها
کیوبیت هایی که می توانند به مقادیر دلخواه مقداردهی اولیه شوند
دروازه‌های کوانتومی که سریع‌تر از زمان ناهمدوسی هستند
ست دروازه جهانی
کیوبیت هایی که به راحتی قابل خواندن هستند

تامین قطعات برای کامپیوترهای کوانتومی نیز بسیار دشوار است. کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا ، مانند آنهایی که توسط گوگل و IBM ساخته شده اند ، به هلیوم-3 ، محصول جانبی تحقیقات هسته ای ، و کابل های ابررسانای ویژه که فقط توسط شرکت ژاپنی Coax Co. ساخته شده است ، نیاز دارند [80]

کنترل سیستم های چند کیوبیتی مستلزم تولید و هماهنگی تعداد زیادی سیگنال الکتریکی با وضوح زمان بندی دقیق و قطعی است. این منجر به توسعه کنترل‌کننده‌های کوانتومی شده است که ارتباط با کیوبیت‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد. مقیاس بندی این سیستم ها برای پشتیبانی از تعداد فزاینده کیوبیت ها یک چالش اضافی است. [81]

عدم انسجام[ ویرایش ]

یکی از بزرگترین چالش‌های موجود در ساخت رایانه‌های کوانتومی، کنترل یا حذف ناهمدوسی کوانتومی است. این معمولاً به معنای جداسازی سیستم از محیط خود است زیرا تعاملات با دنیای بیرونی باعث جدا شدن سیستم می شود. با این حال، منابع دیگری از عدم انسجام نیز وجود دارد. به عنوان مثال می توان به دروازه های کوانتومی و ارتعاشات شبکه و اسپین گرما هسته ای پس زمینه سیستم فیزیکی که برای اجرای کیوبیت ها استفاده می شود اشاره کرد. عدم انسجام برگشت ناپذیر است، زیرا عملاً غیر واحد است و معمولاً چیزی است که اگر از آن اجتناب نشود، باید به شدت کنترل شود. زمان‌های عدم انسجام برای سیستم‌های کاندید به‌ویژه، زمان آرامش عرضی T 2 (برای فناوری NMR و MRI ، همچنین به نامزمان dephasing )، معمولاً در دمای پایین بین نانوثانیه و ثانیه متغیر است. [82] در حال حاضر، برخی از کامپیوترهای کوانتومی به منظور جلوگیری از انسجام قابل توجه، نیاز به خنک شدن کیوبیت‌های خود تا 20 میلی‌کلوین (معمولاً با استفاده از یخچال رقیق‌سازی [83] ) دارند. [84] مطالعه‌ای در سال 2020 استدلال می‌کند که پرتوهای یونیزان مانند پرتوهای کیهانی با این وجود می‌توانند باعث شوند سیستم‌های خاصی در عرض میلی‌ثانیه جدا شوند. [85]

در نتیجه، کارهای وقت‌گیر ممکن است برخی از الگوریتم‌های کوانتومی را غیرقابل اجرا کند، زیرا تلاش برای حفظ وضعیت کیوبیت‌ها برای مدت زمان کافی طولانی، در نهایت برهم‌نهی‌ها را خراب می‌کند. [86]

این مسائل برای رویکردهای نوری دشوارتر هستند، زیرا مقیاس‌های زمانی مرتبه‌ای کوتاه‌تر هستند و یک رویکرد غالباً برای غلبه بر آنها شکل‌دهی پالس نوری است . نرخ خطا معمولاً متناسب با نسبت زمان عملیاتی به زمان ناپیوستگی است، از این رو هر عملیاتی باید بسیار سریعتر از زمان ناپیوستگی کامل شود.

همانطور که در قضیه آستانه توضیح داده شد ، اگر میزان خطا به اندازه کافی کوچک باشد، تصور می‌شود که می‌توان از تصحیح خطای کوانتومی برای سرکوب خطاها و ناپیوستگی استفاده کرد. در صورتی که طرح تصحیح خطا بتواند خطاها را سریعتر از زمانی که decoherence معرفی می کند، تصحیح کند، این اجازه می دهد تا کل زمان محاسبه بیشتر از زمان عدم انسجام باشد. رقمی که اغلب برای نرخ خطای مورد نیاز در هر گیت برای محاسبات تحمل‌پذیر خطا ذکر می‌شود ، 10-3 است، با این فرض که نویز دپلاریزاسیون است.

تحقق این شرط مقیاس پذیری برای طیف وسیعی از سیستم ها امکان پذیر است. با این حال، استفاده از تصحیح خطا هزینه افزایش بسیار زیادی از کیوبیت های مورد نیاز را به همراه دارد. عدد مورد نیاز برای فاکتورسازی اعداد صحیح با استفاده از الگوریتم Shor هنوز چند جمله‌ای است و گمان می‌رود بین L و L 2 باشد . الگوریتم های تصحیح خطا این رقم را با ضریب L افزایش می دهد. برای یک عدد 1000 بیتی، این به معنای نیاز به حدود 10 4 بیت بدون تصحیح خطا است. [87] با تصحیح خطا، این رقم به حدود 10 7 بیت افزایش می یابد. زمان محاسبه حدود L است2 یا حدود 10 7 مرحله و در 1 مگاهرتز، حدود 10 ثانیه. با این حال، سایر برآوردهای دقیق [35] [36] تعداد کیوبیت ها را برای فاکتورسازی اعداد صحیح 2048 بیتی در 5 ماه در یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده به 3 میلیون کاهش می دهند.

روش دیگر برای مسئله پایداری- ناهمدوسی، ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی با آنیون‌ها ، شبه ذرات مورد استفاده به عنوان رشته‌ها، و تکیه بر نظریه braid برای تشکیل گیت‌های منطقی پایدار است. [88] [89]

برتری کوانتومی [ ویرایش ]

برتری کوانتومی اصطلاحی است که توسط جان پرسکیل ابداع شده است و به شاهکار مهندسی نشان می دهد که یک دستگاه کوانتومی قابل برنامه ریزی می تواند مشکلی فراتر از توانایی های رایانه های کلاسیک پیشرفته را حل کند. [90] [91] [92] مشکل نیازی نیست مفید باشد، بنابراین برخی تست برتری کوانتومی را فقط به عنوان یک معیار بالقوه آینده می‌بینند. [93]

در اکتبر 2019، Google AI Quantum با کمک ناسا اولین کسی بود که ادعا کرد با انجام محاسبات روی رایانه کوانتومی Sycamore بیش از 3000000 برابر سریعتر از آنچه در Summit انجام می شود ، به برتری کوانتومی دست یافته است. کامپیوتر. [94] [95] [96] متعاقباً این ادعا به چالش کشیده شد: IBM بیان کرده است که Summit می‌تواند نمونه‌ها را بسیار سریع‌تر از آنچه ادعا می‌شود انجام دهد، [97] [98] و از آن زمان محققان الگوریتم‌های بهتری را برای مسئله نمونه‌برداری که برای ادعای کوانتومی استفاده می‌شود توسعه داده‌اند. برتری، کاهش قابل توجهی در شکاف بین Sycamore و ابررایانه های کلاسیک [99] [100] [101]و حتی کتک زدنش [102] [103] [104]

در دسامبر 2020، گروهی در USTC برای نشان دادن برتری کوانتومی، نوعی نمونه‌برداری از بوزون را روی 76 فوتون با یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک به نام Jiuzhang اجرا کردند. [105] [106] [107] نویسندگان ادعا می کنند که یک ابر رایانه کلاسیک معاصر به زمان محاسباتی 600 میلیون سال نیاز دارد تا تعداد نمونه هایی را که پردازنده کوانتومی آنها می تواند در 20 ثانیه تولید کند تولید کند. [108]

در 16 نوامبر 2021، در اجلاس محاسبات کوانتومی، IBM یک ریزپردازنده 127 کیوبیتی به نام IBM Eagle ارائه کرد. [109]

شک و تردید [ ویرایش ]

برخی از محققان در مورد اینکه کامپیوترهای کوانتومی مقیاس پذیر می توانند ساخته شوند، ابراز تردید کرده اند، معمولاً به دلیل مسئله حفظ انسجام در مقیاس های بزرگ، اما به دلایل دیگر.

بیل اونرو در مقاله ای که در سال 1994 منتشر شد، در مورد عملی بودن رایانه های کوانتومی تردید داشت. [110] پل دیویس استدلال می کرد که یک رایانه 400 کیوبیتی حتی با اطلاعات کیهانی که توسط اصل هولوگرافیک مستلزم آن است، در تضاد خواهد بود . [111] شکاکانی مانند گیل کالای تردید دارند که برتری کوانتومی هرگز حاصل شود. [112] [113] [114] فیزیکدان میخائیل دیاکونوف شک و تردید را نسبت به محاسبات کوانتومی به شرح زیر بیان کرده است:

بنابراین تعداد پارامترهای پیوسته ای که وضعیت چنین کامپیوتر کوانتومی مفیدی را در هر لحظه توصیف می کنند باید ... حدود 10 300 باشد ... آیا می توانیم یاد بگیریم که بیش از 10 300 پارامتر متغیر پیوسته را که وضعیت کوانتومی را تعریف می کنند، کنترل کنیم. چنین سیستمی؟ پاسخ من ساده است. نه، هرگز. " [115] [116]

نامزدهای تحقق فیزیکی [ ویرایش ]

برای پیاده‌سازی فیزیکی یک کامپیوتر کوانتومی، نامزدهای مختلفی دنبال می‌شوند که از جمله آنها می‌توان به سیستم فیزیکی مورد استفاده برای تحقق کیوبیت‌ها متمایز شد:

محاسبات کوانتومی ابررسانا [117] [118] (کیوبیت پیاده‌سازی شده توسط حالت مدارهای ابررسانا تشدید غیرخطی حاوی اتصالات جوزفسون )
کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده (کیوبیت پیاده سازی شده توسط حالت داخلی یون های به دام افتاده)
اتم های خنثی در شبکه های نوری (کیوبیت اجرا شده توسط حالت های داخلی اتم های خنثی که در یک شبکه نوری به دام افتاده اند) [119] [120]
کامپیوتر نقطه کوانتومی ، مبتنی بر اسپین (مثلاً کامپیوتر کوانتومی Loss-DiVincenzo [121] ) (کیوبیت داده شده توسط حالت‌های اسپین الکترون‌های به دام افتاده)
کامپیوتر نقطه کوانتومی، مبتنی بر فضایی (کیوبیت داده شده توسط موقعیت الکترون در نقطه کوانتومی دوگانه) [122]
محاسبات کوانتومی با استفاده از چاه‌های کوانتومی مهندسی شده ، که در اصل می‌تواند ساخت یک کامپیوتر کوانتومی را که در دمای اتاق کار می‌کند امکان‌پذیر کند [123] [124]
سیم کوانتومی جفت شده (کیوبیت اجرا شده توسط یک جفت سیم کوانتومی جفت شده توسط یک تماس نقطه کوانتومی ) [125] [126] [127]
کامپیوتر کوانتومی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMRQC) با تشدید مغناطیسی هسته‌ای مولکول‌ها در محلول، که در آن کیوبیت‌ها توسط اسپین‌های هسته‌ای درون مولکول محلول تهیه می‌شوند و با امواج رادیویی کاوش می‌شوند.
کامپیوتر کوانتومی NMR کین حالت جامد (کیوبیت که توسط حالت اسپین هسته ای اهداکنندگان فسفر در سیلیکون بدست می آید )
کامپیوتر کوانتومی ارتعاشی (کیوبیت هایی که توسط برهم نهی های ارتعاشی در مولکول های سرد متوجه می شوند ) [128]
کامپیوتر کوانتومی الکترون روی هلیوم (کیوبیت اسپین الکترون است)
الکترودینامیک کوانتومی حفره (CQED) (کیوبیت ارائه شده توسط حالت داخلی اتم های به دام افتاده همراه با حفره های با ظرافت بالا)
آهنربای مولکولی [129] (کیوبیت داده شده توسط حالت های اسپین)
کامپیوتر کوانتومی ESR مبتنی بر فولرن (کیوبیت بر اساس اسپین الکترونیکی اتم ها یا مولکول های محصور شده در فولرن ها ) [130]
کامپیوتر کوانتومی نوری غیرخطی (کیوبیت‌هایی که با پردازش حالت‌های مختلف نور از طریق عناصر خطی و غیرخطی به دست می‌آیند) [131] [132]
کامپیوتر کوانتومی نوری خطی (کیوبیت‌هایی که با پردازش حالت‌های مختلف نور از طریق عناصر خطی به‌عنوان مثال آینه‌ها، تقسیم‌کننده‌های پرتو و شیفترهای فاز به دست می‌آیند ) [133]
کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر الماس [134] [135] [136] [137] (کیوبیت که توسط چرخش الکترونیکی یا هسته‌ای مراکز خالی نیتروژن در الماس محقق می‌شود)
کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر میعانات بوز-انیشتین [138] [139]
کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر ترانزیستور (رایانه‌های کوانتومی رشته‌ای با حباب حفره‌های مثبت با استفاده از تله الکترواستاتیک)
کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر کریستال معدنی با یون های فلزی کمیاب [140] [141] (کیوبیت که توسط حالت الکترونیکی داخلی مواد ناخالص در فیبرهای نوری درک می شود )
کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر نانوکره های کربنی مانند فلز [142]

تعداد زیاد نامزدها نشان می دهد که محاسبات کوانتومی، علیرغم پیشرفت سریع، هنوز در مراحل اولیه است. [143]

تئوری[ ویرایش ]

محاسبه پذیری[ ویرایش ]

اطلاعات بیشتر: نظریه محاسباتی

هر مشکل محاسباتی قابل حل توسط یک کامپیوتر کلاسیک توسط یک کامپیوتر کوانتومی نیز قابل حل است. [2] به طور شهودی، این به این دلیل است که اعتقاد بر این است که همه پدیده‌های فیزیکی، از جمله عملکرد رایانه‌های کلاسیک، می‌توانند با استفاده از مکانیک کوانتومی ، که زیربنای عملکرد رایانه‌های کوانتومی است، توصیف شوند.

برعکس، هر مشکلی که توسط یک کامپیوتر کوانتومی قابل حل باشد، توسط یک کامپیوتر کلاسیک نیز قابل حل است. اگر زمان کافی داده شود، می توان کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک را به صورت دستی فقط با مقداری کاغذ و قلم شبیه سازی کرد. به طور رسمی تر، هر کامپیوتر کوانتومی را می توان توسط ماشین تورینگ شبیه سازی کرد . به عبارت دیگر، رایانه‌های کوانتومی از نظر قابلیت محاسبه ، هیچ قدرت اضافی نسبت به رایانه‌های کلاسیک ارائه نمی‌کنند . این بدان معناست که رایانه‌های کوانتومی نمی‌توانند مسائل غیرقابل تصمیم‌گیری مانند مشکل توقف را حل کنند و وجود رایانه‌های کوانتومی تز چرچ-تورینگ را رد نمی‌کند . [144]

پیچیدگی[ ویرایش ]

مقاله اصلی: نظریه پیچیدگی کوانتومی

در حالی که رایانه‌های کوانتومی نمی‌توانند مشکلاتی را که رایانه‌های کلاسیک قبلاً نمی‌توانند حل کنند، حل کنند، گمان می‌رود که آنها می‌توانند مشکلات خاصی را سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک حل کنند. به عنوان مثال، مشخص است که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند به طور مؤثر اعداد صحیح را فاکتور بگیرند، در حالی که تصور نمی‌شود این مورد برای رایانه‌های کلاسیک باشد.

دسته ای از مسائلی که می توانند به طور موثر توسط یک کامپیوتر کوانتومی با خطای محدود حل شوند ، BQP برای "خطای محدود، کوانتومی، زمان چند جمله ای" نامیده می شود. به طور رسمی تر، BQP کلاس مسائلی است که می تواند توسط یک ماشین تورینگ کوانتومی چند جمله ای با احتمال خطا حداکثر 1/3 حل شود. به عنوان یک کلاس از مسائل احتمالی، BQP همتای کوانتومی BPP است ("خطای محدود، احتمالی، زمان چند جمله ای")، کلاسی از مسائلی که می توانند توسط ماشین های تورینگ احتمالی چند جمله ای با خطای کران حل شوند. [145] مشهور است که و گمان زیادی بر آن است ${\mathsf {BPP\subseteq BQP}}$ ${\mathsf {BQP\subsetneq BPP}}$ ، که به طور شهودی به این معنی است که رایانه های کوانتومی از نظر پیچیدگی زمانی قوی تر از رایانه های کلاسیک هستند . [146]

رابطه مشکوک BQP با چندین کلاس پیچیدگی کلاسیک [51]

رابطه دقیق BQP با P ، NP و PSPACE مشخص نیست. با این حال، مشخص است که ؛ یعنی تمام مسائلی را که می توان به طور کارآمد با یک کامپیوتر کلاسیک قطعی حل کرد، توسط یک کامپیوتر کوانتومی نیز می تواند به طور کارآمد حل شود، و تمام مسائلی که می توانند به طور موثر توسط یک کامپیوتر کوانتومی حل شوند نیز می توانند توسط یک کامپیوتر کلاسیک قطعی با منابع فضایی چند جمله ای حل شوند. . همچنین گمان می رود که BQP یک ابرمجموعه سخت P است، به این معنی که مشکلاتی وجود دارد که به طور مؤثر توسط رایانه های کوانتومی قابل حل هستند که به طور کارآمدی توسط رایانه های کلاسیک قطعی قابل حل نیستند. به عنوان مثال، فاکتورسازی اعداد صحیح و مسئله لگاریتم گسسته ${\mathsf {P\subseteq BQP\subseteq PSPACE}}$ شناخته شده است که در BQP هستند و مشکوک به خارج از P هستند. در مورد رابطه BQP با NP، اطلاعات کمی فراتر از این واقعیت است که برخی از مشکلات NP که اعتقاد بر این است که در P نیستند نیز در BQP هستند (فاکتورسازی اعداد صحیح و برای مثال، مسئله لگاریتم گسسته هر دو در NP هستند). گمان می رود که ؛ یعنی اعتقاد بر این است که مسائلی وجود دارد که به طور موثر قابل بررسی هستند که به طور کارآمدی توسط یک کامپیوتر کوانتومی قابل حل نیستند. به عنوان پیامد مستقیم این باور، همچنین گمان می رود که BQP از کلاس مسائل NP-complete جدا باشد (اگر یک مسئله NP-کامل در BQP باشد، پس از سختی NP نتیجه می گیرد که همه مشکلات در NP در BQP). [147] ${\mathsf {NP\nsubseteq BQP}}$

رابطه BQP با کلاس های پیچیدگی کلاسیک پایه را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

${\mathsf {P\subseteq BPP\subseteq BQP\subseteq PP\subseteq PSPACE}$

همچنین مشخص است که BQP در کلاس پیچیدگی (یا به طور دقیق تر در کلاس مربوط به مسائل تصمیم گیری ) قرار دارد، [147] که زیر کلاس PSPACE است. $\color {Blue}{\mathsf {\#P}}$ ${\mathsf {P^{\#P}}}$

حدس زده می‌شود که پیشرفت‌های بیشتر در فیزیک می‌تواند منجر به رایانه‌های سریع‌تر شود. به عنوان مثال، نشان داده شده است که یک کامپیوتر کوانتومی متغیر پنهان غیرمحلی مبتنی بر مکانیک بوهمین می‌تواند جستجوی پایگاه‌داده N- اقلام را در اکثر مراحل انجام دهد، یعنی یک افزایش جزئی نسبت به الگوریتم گروور ، که در مرحله اجرا می‌شود. با این حال، توجه داشته باشید که هیچ یک از روش های جستجو به کامپیوترهای کوانتومی اجازه نمی دهد تا مسائل NP-complete را در زمان چند جمله ای حل کنند. [148] نظریه های گرانش کوانتومی ، مانند نظریه M و گرانش کوانتومی حلقه $O({\sqrt[{3}]{N}})$ $O({\sqrt {N}})$ ، ممکن است اجازه دهد حتی کامپیوترهای سریع تری ساخته شوند. با این حال، تعریف محاسبات در این نظریه ها به دلیل مشکل زمان ، یک مشکل باز است . یعنی در این تئوری‌های فیزیکی در حال حاضر هیچ روش واضحی برای توصیف معنای ارسال ورودی به رایانه در یک نقطه از زمان توسط ناظر و دریافت خروجی در زمان بعدی وجود ندارد. [149] [150]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:14 توسط علی رضا نقش |

4-کامپیوتر کوانتومی

رمزنگاری پس کوانتومی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: رمزنگاری پس کوانتومی

یک کاربرد قابل توجه محاسبات کوانتومی برای حملات به سیستم های رمزنگاری است که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند. فرض بر این است که فاکتورسازی اعداد صحیح ، که زیربنای امنیت سیستم های رمزنگاری کلید عمومی است، با یک رایانه معمولی برای اعداد صحیح بزرگ از نظر محاسباتی غیرممکن است، اگر آنها حاصل ضرب اعداد اول چند (مثلاً، محصولات دو عدد اول 300 رقمی) باشند. [54] در مقایسه، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند این مشکل را با استفاده از الگوریتم Shor برای یافتن عوامل آن به طور موثر حل کند. این توانایی به یک کامپیوتر کوانتومی اجازه می‌دهد تا بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری مورد استفاده امروزی را بشکند، به این معنا که زمان چند جمله‌ای وجود دارد.(به تعداد ارقام عدد صحیح) الگوریتم حل مسئله. به طور خاص، بیشتر رمزهای کلید عمومی محبوب بر اساس دشواری فاکتورگیری اعداد صحیح یا مسئله لگاریتم گسسته است که هر دو را می توان با الگوریتم Shor حل کرد. به طور خاص، الگوریتم‌های RSA ، Diffie–Hellman ، و منحنی بیضوی Diffie–Hellman می‌توانند شکسته شوند. این ها برای محافظت از صفحات وب ایمن، ایمیل های رمزگذاری شده و بسیاری از انواع دیگر داده ها استفاده می شوند. شکستن این موارد پیامدهای قابل توجهی برای حفظ حریم خصوصی و امنیت الکترونیکی خواهد داشت.

شناسایی سیستم های رمزنگاری که ممکن است در برابر الگوریتم های کوانتومی ایمن باشند، موضوعی است که به طور فعال در زمینه رمزنگاری پس کوانتومی تحقیق شده است. [55] [56] برخی از الگوریتم‌های کلید عمومی مبتنی بر مسائلی غیر از فاکتورسازی اعداد صحیح و مسائل لگاریتمی گسسته هستند که الگوریتم Shor برای آنها اعمال می‌شود، مانند سیستم رمزگذاری McEliece بر اساس یک مشکل در نظریه کدگذاری . [55] [57] سیستم‌های رمزنگاری مبتنی بر شبکه همچنین شناخته شده نیستند که توسط رایانه‌های کوانتومی شکسته می‌شوند و یک الگوریتم زمان چند جمله‌ای برای حل مشکل زیرگروه پنهان دووجهی پیدا می‌شود. ، که بسیاری از سیستم های رمزنگاری مبتنی بر شبکه را می شکند، یک مشکل باز است که به خوبی مطالعه شده است. [58] ثابت شده است که استفاده از الگوریتم گروور برای شکستن یک الگوریتم متقارن (کلید مخفی) با نیروی بی رحم به زمان برابر با تقریباً 2 n / 2 فراخوانی الگوریتم رمزنگاری زیربنایی در مقایسه با تقریباً 2 n در حالت کلاسیک نیاز دارد . 59] به این معنی که طول کلید متقارن به طور مؤثر نصف می شود: AES-256 در برابر حمله با استفاده از الگوریتم گروور دارای همان امنیت است که AES-128 در برابر جستجوی کلاسیک با نیروی brute-force دارد (به اندازه کلید مراجعه کنید ).

مشکلات جستجو[ ویرایش ]

مقاله اصلی: الگوریتم گروور

معروف‌ترین مثال مشکلی که امکان افزایش سرعت کوانتومی چند جمله‌ای را فراهم می‌کند، جستجوی بدون ساختار است که شامل یافتن یک آیتم علامت‌گذاری‌شده از فهرست آیتم‌های یک پایگاه داده است. این را می توان با الگوریتم گروور با استفاده از پرس و جو در پایگاه داده حل کرد، که به طور درجه دوم کمتر از پرس و جوهای مورد نیاز برای الگوریتم های کلاسیک است. در این مورد، مزیت نه تنها قابل اثبات است، بلکه بهینه است: نشان داده شده است که الگوریتم گروور حداکثر احتمال ممکن را برای یافتن عنصر مورد نظر برای هر تعداد جستجوی اوراکل می دهد. $n$ $O({\sqrt {n}})$ $\ امگا (n)$

مسائلی که می توان به طور موثر با الگوریتم گروور به آنها پرداخت، دارای ویژگی های زیر است: [60] [61]

هیچ ساختار قابل جستجو در مجموعه پاسخ های ممکن وجود ندارد،
تعداد پاسخ‌های ممکن برای بررسی برابر با تعداد ورودی‌های الگوریتم است و
یک تابع بولی وجود دارد که هر ورودی را ارزیابی می کند و تعیین می کند که آیا پاسخ صحیح است یا خیر

برای مسائل مربوط به همه این ویژگی ها، زمان اجرای الگوریتم گروور در یک کامپیوتر کوانتومی بر خلاف مقیاس خطی الگوریتم های کلاسیک، به عنوان جذر تعداد ورودی ها (یا عناصر در پایگاه داده) در نظر گرفته می شود. یک دسته کلی از مسائل که الگوریتم گروور را می توان برای آنها اعمال کرد [62] مسئله رضایت پذیری بولی است ، که در آن پایگاه داده ای که الگوریتم از طریق آن تکرار می شود، تمام پاسخ های ممکن است. یک مثال و کاربرد احتمالی آن یک رمز عبور است که سعی در حدس زدن رمز عبور دارد. شکستن رمزهای متقارن با این الگوریتم مورد توجه سازمان های دولتی است. [63]

شبیه سازی سیستم های کوانتومی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: شبیه سازی کوانتومی

از آنجایی که شیمی و نانوتکنولوژی بر درک سیستم‌های کوانتومی تکیه دارند و شبیه‌سازی چنین سیستم‌هایی به روش کلاسیک غیرممکن است، بسیاری از [ چه کسانی؟ ] معتقدند شبیه سازی کوانتومی یکی از مهم ترین کاربردهای محاسبات کوانتومی خواهد بود. [64] شبیه‌سازی کوانتومی همچنین می‌تواند برای شبیه‌سازی رفتار اتم‌ها و ذرات در شرایط غیرعادی مانند واکنش‌های درون برخورددهنده استفاده شود . [65]

شبیه‌سازی‌های کوانتومی ممکن است برای پیش‌بینی مسیرهای آینده ذرات و پروتون‌ها تحت برهم‌نهی در آزمایش دو شکاف استفاده شوند. [66]

حدود 2% از تولید سالانه انرژی جهانی برای تثبیت نیتروژن برای تولید آمونیاک برای فرآیند هابر در صنعت کود کشاورزی استفاده می شود (حتی اگر موجودات طبیعی نیز آمونیاک تولید کنند). شبیه‌سازی‌های کوانتومی ممکن است برای درک این فرآیند و افزایش بهره‌وری انرژی تولید مورد استفاده قرار گیرند. [67]

آنیل کوانتومی[ ویرایش ]

بازپخت کوانتومی برای انجام محاسبات به قضیه آدیاباتیک متکی است. یک سیستم در حالت پایه برای یک همیلتونی ساده قرار می گیرد که به آرامی به یک هامیلتونی پیچیده تر تبدیل می شود که حالت پایه آن نشان دهنده راه حل مسئله مورد نظر است. قضیه آدیاباتیک بیان می کند که اگر تکامل به اندازه کافی کند باشد، سیستم همیشه در طول فرآیند در حالت پایه خود باقی می ماند.بهینه سازی آدیاباتیک ممکن است برای حل مسائل زیست شناسی محاسباتی مفید باشد. [68]

یادگیری ماشینی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: یادگیری ماشین کوانتومی

از آنجایی که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند خروجی‌هایی تولید کنند که رایانه‌های کلاسیک نمی‌توانند به طور مؤثر تولید کنند، و از آنجایی که محاسبات کوانتومی اساساً جبری خطی است، برخی به توسعه الگوریتم‌های کوانتومی که می‌توانند وظایف یادگیری ماشین را سرعت بخشند، ابراز امیدواری می‌کنند. [69] [70]

به عنوان مثال، الگوریتم کوانتومی برای سیستم های معادلات خطی ، یا "الگوریتم HHL" که به نام کاشفان آن هارو، هاسیدیم و لوید نامگذاری شده است، اعتقاد بر این است که سرعت بیشتری را نسبت به همتایان کلاسیک ارائه می دهد. [71] [70] برخی از گروه‌های تحقیقاتی اخیراً استفاده از سخت‌افزار آنیل کوانتومی را برای آموزش ماشین‌های بولتزمن و شبکه‌های عصبی عمیق بررسی کرده‌اند . [72] [73] [74]

مدل های شیمی مولد عمیق به عنوان ابزار قدرتمندی برای تسریع در کشف دارو ظاهر می شوند . با این حال، اندازه و پیچیدگی عظیم فضای ساختاری همه مولکول‌های احتمالی شبیه دارو، موانع مهمی را ایجاد می‌کند که می‌توان در آینده توسط رایانه‌های کوانتومی بر آنها غلبه کرد. کامپیوترهای کوانتومی به طور طبیعی برای حل مسائل پیچیده چند جسمی کوانتومی خوب هستند [75] و بنابراین ممکن است در کاربردهای مربوط به شیمی کوانتومی مفید باشند. بنابراین، می‌توان انتظار داشت که مدل‌های مولد تقویت‌شده کوانتومی [76] از جمله GAN‌های کوانتومی [77] ممکن است در نهایت به الگوریتم‌های شیمی مولد نهایی تبدیل شوند.

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:11 توسط علی رضا نقش |

3-کامپیوتر کوانتومی

پردازش اطلاعات کوانتومی [ ویرایش ]

همچنین ببینید: مقدمه ای بر مکانیک کوانتومی

مهندسان کامپیوتر معمولاً عملکرد یک کامپیوتر مدرن را بر حسب الکترودینامیک کلاسیک توصیف می کنند. در این رایانه‌های «کلاسیک»، برخی از مؤلفه‌ها (مانند نیمه رساناها و مولدهای اعداد تصادفی ) ممکن است بر رفتار کوانتومی تکیه کنند، اما این مؤلفه‌ها از محیط خود جدا نیستند، بنابراین هر اطلاعات کوانتومی به سرعت تجزیه می‌شود . در حالی که برنامه نویسان ممکن است هنگام طراحی یک الگوریتم تصادفی به نظریه احتمال وابسته باشند ، مفاهیم مکانیکی کوانتومی مانند برهم نهی و تداخل تا حد زیادی برای تجزیه و تحلیل برنامه بی ربط هستند .

در مقابل، برنامه های کوانتومی بر کنترل دقیق سیستم های کوانتومی منسجم متکی هستند. فیزیکدانان این سیستم ها را به صورت ریاضی با استفاده از جبر خطی توصیف می کنند . اعداد مختلط دامنه‌های احتمال را مدل‌سازی می‌کنند، بردارها حالت‌های کوانتومی را مدل‌سازی می‌کنند ، و ماتریس‌ها عملیاتی را که می‌توان روی این حالت‌ها انجام داد، مدل‌سازی می‌کنند. سپس برنامه نویسی یک کامپیوتر کوانتومی عبارت است از ترکیب عملیات به گونه ای که برنامه به دست آمده یک نتیجه مفید را در تئوری محاسبه کند و در عمل قابل اجرا باشد.

مدل رایج محاسبات کوانتومی محاسبات را بر حسب شبکه ای از دروازه های منطقی کوانتومی توصیف می کند. [40] این مدل یک تعمیم خطی-جبری پیچیده مدارهای بولی است . [آ]

اطلاعات کوانتومی [ ویرایش ]

اطلاعات بیشتر: اطلاعات کوانتومی

حافظه ای متشکل از بیت های اطلاعات دارای حالت های ممکن است. بنابراین، یک بردار که تمام حالت‌های حافظه را نشان می‌دهد، ورودی‌هایی دارد (یکی برای هر حالت). این بردار به عنوان یک بردار احتمال در نظر گرفته می شود و نشان دهنده این واقعیت است که حافظه باید در یک حالت خاص یافت شود. ${\textstyle n}$ ${\textstyle 2^{n}}$ ${\textstyle 2^{n}}$

بیت های کامپیوترهای کلاسیک قادر به برهم نهی نیستند، بنابراین یک ورودی باید مقدار 1 داشته باشد (یعنی احتمال 100٪ بودن در این حالت) و همه ورودی های دیگر صفر باشد.

در مکانیک کوانتومی، بردارهای احتمال را می توان به عملگرهای چگالی تعمیم داد . فرمالیسم بردار حالت کوانتومی معمولاً ابتدا معرفی می‌شود، زیرا از نظر مفهومی ساده‌تر است، و به این دلیل که می‌توان آن را به جای فرمالیسم ماتریس چگالی برای حالت‌های خالص، که در آن کل سیستم کوانتومی شناخته شده است، استفاده کرد.

یک حافظه ساده را در نظر بگیرید که فقط از یک بیت کوانتومی تشکیل شده است. هنگامی که اندازه گیری می شود ، این حافظه ممکن است در یکی از دو حالت یافت شود: حالت صفر یا یک حالت. ممکن است وضعیت این حافظه را با استفاده از نماد دیراک نمایش دهیم تا

$|0\rangle :={\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}};\quad |1\rangle :={\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}}$

یک حافظه کوانتومی ممکن است در هر برهم نهی کوانتومی دو حالت کلاسیک پیدا شود و : ${\textstyle |\psi \rangle }$ ${\textstyle |0\rangle }$ ${\textstyle |1\rangle }$

$|\psi \rangle :=\alpha \,|0\rangle +\beta \,|1\rangle ={\begin{pmatrix}\alpha \\\beta \end{pmatrix}};\quad | \alpha |^{2}+|\بتا |^{2}=1.$

ضرایب و اعداد مختلط هستند . حالت به خودی خود یک بردار احتمال نیست اما می تواند از طریق عملیات اندازه گیری با بردار احتمال مرتبط شود. اگر حافظه کوانتومی برای تعیین اینکه آیا حالت است یا اندازه گیری شود (این به عنوان اندازه گیری مبنای محاسباتی شناخته می شود)، حالت صفر با احتمال و حالت یک با احتمال مشاهده می شود. اعداد و دامنه احتمال نامیده می شوند . ${\textstyle \alpha }$ ${\textstyle \بتا }$ ${\textstyle |\psi \rangle }$ ${\textstyle |0\rangle }$ ${\textstyle |1\rangle }$ ${\textstyle |\alpha |^{2}}$ ${\textstyle |\beta |^{2}}$ ${\textstyle \alpha }$ ${\textstyle \بتا }$

عملگرهای واحد [ ویرایش ]

همچنین ببینید: واحد (فیزیک)

وضعیت این حافظه کوانتومی یک کیوبیتی را می‌توان با استفاده از گیت‌های منطقی کوانتومی ، مشابه نحوه دستکاری حافظه کلاسیک با گیت‌های منطقی کلاسیک ، دستکاری کرد . یکی از دروازه های مهم برای محاسبات کلاسیک و کوانتومی، دروازه NOT است که می تواند با یک ماتریس نمایش داده شود.

${\displaystyle X:={\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}.$

از نظر ریاضی، استفاده از چنین دروازه منطقی برای بردار حالت کوانتومی با ضرب ماتریس مدل‌سازی می‌شود . بدین ترتیب

${\textstyle X|0\rangle =|1\rangle }$ و . ${\textstyle X|1\rangle =|0\rangle }$

ریاضیات دروازه‌های تک کیوبیتی را می‌توان به دو روش مهم برای کار بر روی حافظه‌های کوانتومی چند کیوبیتی گسترش داد. یک راه این است که به سادگی یک کیوبیت را انتخاب کنید و آن گیت را روی کیوبیت هدف اعمال کنید و در عین حال باقیمانده حافظه را بی‌تأثیر بگذارید. راه دیگر این است که تنها در صورتی که بخش دیگری از حافظه در وضعیت دلخواه باشد، گیت را روی هدف خود اعمال کنید. این دو انتخاب را می توان با استفاده از مثال دیگری نشان داد. حالت های ممکن یک حافظه کوانتومی دو کیوبیتی هستند

${\displaystyle |00\rangle :={\begin{pmatrix}1\\0\\0\\0\end{pmatrix}};\quad |01\rangle :={\begin{pmatrix}0\\1 \\0\\0\end{pmatrix}};\quad |10\rangle :={\begin{pmatrix}0\\0\\1\\0\end{pmatrix}};\quad |11\rangle :={\begin{pmatrix}0\\0\\0\\1\end{pmatrix}}.$

سپس دروازه CNOT را می توان با استفاده از ماتریس زیر نشان داد:

${\displaystyle \operatorname {CNOT} :={\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&0&1\\0&0&1&0\end{pmatrix}}.$

به عنوان یک نتیجه ریاضی از این تعریف ،،،،، و . به عبارت دیگر، CNOT یک گیت NOT ( از قبل) را به کیوبیت دوم اعمال می کند اگر و فقط در صورتی که کیوبیت اول در وضعیت باشد. اگر کیوبیت اول باشد ، هیچ کاری برای هیچ کدام از کیوبیت ها انجام نمی شود. ${\textstyle \operatorname {CNOT} |00\rangle =|00\rangle }$ ${\textstyle \operatorname {CNOT} |01\rangle =|01\rangle }$ ${\textstyle \operatorname {CNOT} |10\rangle =|11\rangle }$ ${\textstyle \operatorname {CNOT} |11\rangle =|10\rangle }$ ${\textstyle X}$ ${\textstyle |1\rangle }$ ${\textstyle |0\rangle }$

به طور خلاصه، محاسبات کوانتومی را می توان به عنوان شبکه ای از گیت ها و اندازه گیری های منطق کوانتومی توصیف کرد. با این حال، هر اندازه‌گیری را می‌توان به پایان محاسبات کوانتومی موکول کرد، اگرچه این تعویق ممکن است هزینه محاسباتی داشته باشد، بنابراین بیشتر مدارهای کوانتومی شبکه‌ای را نشان می‌دهند که فقط از گیت‌های منطقی کوانتومی تشکیل شده است و هیچ اندازه‌گیری ندارد.

توازی کوانتومی [ ویرایش ]

موازی سازی کوانتومی به توانایی کامپیوترهای کوانتومی برای ارزیابی یک تابع برای مقادیر ورودی چندگانه به طور همزمان اشاره دارد. این را می توان با تهیه یک سیستم کوانتومی در برهم نهی از حالات ورودی، و اعمال یک تبدیل واحد که تابع مورد ارزیابی را رمزگذاری می کند، به دست آورد. حالت حاصل، مقادیر خروجی تابع را برای همه مقادیر ورودی در برهم نهی رمزگذاری می‌کند و امکان محاسبه خروجی‌های متعدد را به طور همزمان فراهم می‌کند. این ویژگی کلید افزایش سرعت بسیاری از الگوریتم های کوانتومی است. [18]

برنامه نویسی کوانتومی[ ویرایش ]

اطلاعات بیشتر: برنامه نویسی کوانتومی

تعدادی مدل از محاسبات برای محاسبات کوانتومی وجود دارد که با عناصر اساسی که محاسبات در آنها تجزیه می شود، متمایز می شوند.

آرایه دروازه[ ویرایش ]

یک نمودار مدار کوانتومی که یک دروازه تافولی را از دروازه‌های ابتدایی‌تر پیاده‌سازی می‌کند

یک آرایه دروازه کوانتومی محاسبات را به دنباله ای از دروازه های کوانتومی چند کیوبیتی تجزیه می کند. محاسبات کوانتومی را می توان به عنوان شبکه ای از گیت ها و اندازه گیری های منطق کوانتومی توصیف کرد. با این حال، هر اندازه‌گیری را می‌توان به پایان محاسبات کوانتومی موکول کرد، اگرچه این تعویق ممکن است هزینه محاسباتی داشته باشد، بنابراین بیشتر مدارهای کوانتومی شبکه‌ای را نشان می‌دهند که فقط از گیت‌های منطقی کوانتومی تشکیل شده است و هیچ اندازه‌گیری ندارد.

هر محاسبات کوانتومی (که در فرمالیسم بالا، هر ماتریس واحد اندازه بر روی کیوبیت است) را می توان به عنوان شبکه ای از دروازه های منطق کوانتومی از یک خانواده نسبتاً کوچک از دروازه ها نشان داد. انتخابی از خانواده گیت که این ساختار را فعال می کند به عنوان یک مجموعه دروازه جهانی شناخته می شود ، زیرا رایانه ای که می تواند چنین مدارهایی را اجرا کند یک کامپیوتر کوانتومی جهانی است . یکی از این مجموعه های متداول شامل تمامی گیت های تک کیوبیتی و همچنین گیت CNOT از بالا می باشد. این بدان معناست که هر محاسبات کوانتومی را می توان با اجرای دنباله ای از دروازه های تک کیوبیتی همراه با گیت های CNOT انجام داد. اگرچه این مجموعه دروازه بی نهایت است، اما می توان آن را با یک مجموعه دروازه محدود با توسل به قضیه Solovay-Kitaev جایگزین کرد. $2^{n}\times 2^{n}$ $n$

محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه گیری [ ویرایش ]

یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری، محاسبات را به دنباله‌ای از اندازه‌گیری‌های حالت بل و دروازه‌های کوانتومی تک کیوبیتی که به حالت اولیه بسیار درهم‌تنیده (یک حالت خوشه‌ای ) اعمال می‌شود، با استفاده از تکنیکی به نام تله‌پورت کردن دروازه‌های کوانتومی تجزیه می‌کند.

محاسبات کوانتومی آدیاباتیک [ ویرایش ]

یک کامپیوتر کوانتومی آدیاباتیک ، مبتنی بر بازپخت کوانتومی ، محاسبات را به یک تبدیل پیوسته آهسته از یک همیلتونین اولیه به یک همیلتونی نهایی تجزیه می کند، که حالت های پایه آن حاوی راه حل هستند. [42]

محاسبات کوانتومی توپولوژیکی [ ویرایش ]

یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی محاسبات را به بافته شدن هریون در یک شبکه دوبعدی تجزیه می کند. [43]

ماشین تورینگ کوانتومی [ ویرایش ]

ماشین تورینگ کوانتومی از نظر تئوری مهم است اما اجرای فیزیکی این مدل امکان پذیر نیست. تمام این مدل‌های محاسبات - مدارهای کوانتومی، [44] محاسبات کوانتومی یک‌طرفه، [45] محاسبات کوانتومی آدیاباتیک، [46] و محاسبات کوانتومی توپولوژیکی [47] - نشان داده شده‌اند که معادل ماشین تورینگ کوانتومی هستند. با توجه به اجرای کامل یکی از این کامپیوترهای کوانتومی، می تواند بقیه را بدون سربار چند جمله ای بیشتر شبیه سازی کند. این معادل سازی برای رایانه های کوانتومی عملی لازم نیست، زیرا هزینه های شبیه سازی ممکن است برای عملی بودن بیش از حد بزرگ باشد.

ارتباطات [ ویرایش ]

اطلاعات بیشتر: علم اطلاعات کوانتومی

رمزنگاری کوانتومی به طور بالقوه می تواند برخی از عملکردهای رمزنگاری کلید عمومی را انجام دهد. بنابراین، سیستم‌های رمزنگاری مبتنی بر کوانتومی می‌توانند از سیستم‌های سنتی در برابر هک کوانتومی ایمن‌تر باشند. [48]

الگوریتم ها [ ویرایش ]

پیشرفت در یافتن الگوریتم‌های کوانتومی معمولاً بر این مدل مدار کوانتومی متمرکز است، اگرچه استثناهایی مانند الگوریتم آدیاباتیک کوانتومی وجود دارد. الگوریتم‌های کوانتومی را می‌توان تقریباً بر اساس نوع افزایش سرعتی که نسبت به الگوریتم‌های کلاسیک مربوطه به دست می‌آید، دسته‌بندی کرد. [49]

الگوریتم‌های کوانتومی که بیش از یک سرعت چندجمله‌ای را نسبت به معروف‌ترین الگوریتم کلاسیک ارائه می‌دهند، شامل الگوریتم Shor برای فاکتورگیری و الگوریتم‌های کوانتومی مرتبط برای محاسبه لگاریتم‌های گسسته ، حل معادله پل ، و به طور کلی‌تر حل مشکل گروه‌های زیرگروه پنهان برای abelian هستند. [49] این الگوریتم‌ها به شکل اولیه تبدیل فوریه کوانتومی بستگی دارند . هیچ دلیل ریاضی یافت نشد که نشان دهد الگوریتم کلاسیک به همان سرعتی را نمی توان کشف کرد، اگرچه این امر بعید تلقی می شود. [50] [ منبع خود منتشر شده؟ ]برخی از مسائل اوراکل مانند مشکل سایمون و مسئله برنشتاین -وزیرانی سرعت‌های قابل اثباتی را ارائه می‌دهند، اگرچه این در مدل پرس و جو کوانتومی است ، که یک مدل محدود است که در آن کران‌های پایین بسیار آسان‌تر اثبات می‌شوند و لزوماً به افزایش سرعت برای مشکلات عملی ترجمه نمی‌شوند. .

مشکلات دیگر، از جمله شبیه‌سازی فرآیندهای فیزیکی کوانتومی از شیمی و فیزیک حالت جامد، تقریب چند جمله‌ای‌های خاص جونز ، و الگوریتم کوانتومی برای سیستم‌های معادلات خطی ، الگوریتم‌های کوانتومی به نظر می‌رسد که سرعت‌های فوق چند جمله‌ای را ارائه می‌دهند و BQP -کامل هستند . از آنجایی که این مشکلات BQP-کامل هستند، یک الگوریتم کلاسیک به همان اندازه سریع برای آنها نشان می‌دهد که هیچ الگوریتم کوانتومی سرعت فوق چند جمله‌ای را نمی‌دهد، که بعید به نظر می‌رسد. [51]

برخی از الگوریتم‌های کوانتومی، مانند الگوریتم گروور و تقویت دامنه ، سرعت چندجمله‌ای را نسبت به الگوریتم‌های کلاسیک مربوطه می‌دهند. [49] اگرچه این الگوریتم‌ها سرعت درجه دوم نسبتاً متوسطی را ارائه می‌دهند، اما به طور گسترده قابل اجرا هستند و بنابراین برای طیف وسیعی از مسائل افزایش سرعت می‌دهند. [22] بسیاری از نمونه‌های افزایش سرعت کوانتومی قابل اثبات برای مسائل پرس و جو به الگوریتم گروور مربوط می‌شوند، از جمله الگوریتم Brassard، Høyer و Tapp برای یافتن برخورد در توابع دو به یک، [52] که از الگوریتم گروور استفاده می‌کند و Farhi، Goldstone، و الگوریتم گاتمن برای ارزیابی درختان NAND، [53] که نوعی از مشکل جستجو است.

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:10 توسط علی رضا نقش |

2-کامپیوتر کوانتومی

تاریخچه [ ویرایش ]

برای راهنمای زمانی، جدول زمانی محاسبات کوانتومی و ارتباطات را ببینید.

برای سال‌های متمادی، رشته‌های مکانیک کوانتومی و علوم کامپیوتر جوامع دانشگاهی مجزایی را تشکیل دادند. [3] نظریه کوانتومی مدرن در دهه 1920 توسعه یافت تا دوگانگی موج-ذره مشاهده شده در مقیاس اتمی را توضیح دهد، [4] و کامپیوترهای دیجیتال در دهه های بعدی به وجود آمدند تا جایگزین کامپیوترهای انسانی برای محاسبات خسته کننده شوند. [5] هر دو رشته در طول جنگ جهانی دوم کاربردهای عملی داشتند . کامپیوترها نقش مهمی در رمزنگاری زمان جنگ داشتند ، [6] و فیزیک کوانتومی برای فیزیک هسته ای ضروری بود.در پروژه منهتن استفاده شده است . [7]

همانطور که فیزیکدانان مدل های مکانیکی کوانتومی را برای مسائل محاسباتی به کار بردند و بیت های دیجیتال را با بیت های کوانتومی ( کیوبیت ) مبادله کردند، زمینه های مکانیک کوانتومی و علوم کامپیوتر شروع به همگرایی کردند. در سال 1980، پل بنیوف ماشین تورینگ کوانتومی را معرفی کرد که از نظریه کوانتومی برای توصیف یک کامپیوتر ساده شده استفاده می کند. [8] هنگامی که رایانه‌های دیجیتال سریع‌تر شدند، فیزیکدانان هنگام شبیه‌سازی دینامیک کوانتومی با افزایش نمایی سربار مواجه شدند ، [9] که یوری مانین و ریچارد فاینمن را برانگیخت.به طور مستقل پیشنهاد می کند که سخت افزار مبتنی بر پدیده های کوانتومی ممکن است برای شبیه سازی کامپیوتری کارآمدتر باشد. [10] [11] [12] در مقاله ای در سال 1984، چارلز بنت و ژیل براسارد نظریه کوانتومی را برای پروتکل های رمزنگاری اعمال کردند و نشان دادند که توزیع کلید کوانتومی می تواند امنیت اطلاعات را افزایش دهد. [13] [14]

پیتر شور (تصویر اینجا در سال 2017) در سال 1994 نشان داد که یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس پذیر می تواند رمزگذاری RSA را بشکند .

سپس الگوریتم‌های کوانتومی برای حل مسائل اوراکل پدیدار شدند ، مانند الگوریتم دویچ در سال 1985، [15] الگوریتم برنشتاین-وزیرانی در سال 1993، [ 16] و الگوریتم سیمون در سال 1994. می توان اطلاعات بیشتری را با پرس و جو از یک جعبه سیاه در برهم نهی بدست آورد که گاهی اوقات به عنوان موازی کوانتومی از آن یاد می شود . [18] پیتر شور با الگوریتم‌های سال 1994 خود برای شکستن RSA پرکاربرد بر اساس این نتایج ساخته شد. و پروتکل های رمزگذاری دیفی-هلمن ، [19] که توجه قابل توجهی را به حوزه محاسبات کوانتومی جلب کرد. [20] در سال 1996، الگوریتم گروور یک افزایش سرعت کوانتومی را برای مشکل جستجوی بدون ساختار به طور گسترده ایجاد کرد. [21] [22] در همان سال، ست لوید ثابت کرد که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند سیستم‌های کوانتومی را بدون سربار نمایی موجود در شبیه‌سازی‌های کلاسیک شبیه‌سازی کنند، [23] که حدس فاینمن در سال 1982 را تأیید کرد. [24]

در طول سال‌ها، آزمایش‌گران کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس کوچک را با استفاده از یون‌های به دام افتاده و ابررساناها ساخته‌اند . [25] در سال 1998، یک کامپیوتر کوانتومی دو کیوبیت امکان‌سنجی این فناوری را نشان داد، [26] [27] و آزمایش‌های بعدی تعداد کیوبیت‌ها را افزایش داده و نرخ خطا را کاهش داد. [25] در سال 2019، هوش مصنوعی گوگل و ناسا اعلام کردند که با یک ماشین 54 کیوبیتی به برتری کوانتومی دست یافته اند و محاسباتی را انجام می دهند که برای هر کامپیوتر کلاسیک غیرممکن است. [28] [29] [30]با این حال، صحت این ادعا هنوز به طور فعال در حال تحقیق است. [31] [32]

به گفته برخی از محققان، ماشین‌های کوانتومی مقیاس متوسط پر سر و صدا ( NISQ ) ممکن است در آینده نزدیک کاربردهای تخصصی داشته باشند، اما نویز در دروازه‌های کوانتومی قابلیت اطمینان آنها را محدود می‌کند. [33] قضیه آستانه نشان می‌دهد که چگونه افزایش تعداد کیوبیت‌ها می‌تواند خطاها را کاهش دهد، [34] اما محاسبات کوانتومی کاملاً متحمل خطا «رویایی نسبتاً دور» باقی می‌ماند. [33] برآوردها نشان می‌دهد که یک کامپیوتر کوانتومی با نزدیک به 3 میلیون کیوبیت تحمل‌پذیر خطا، می‌تواند یک عدد صحیح 2048 بیتی را در مدت پنج ماه محاسبه کند. [35] [36]

در سال های اخیر، سرمایه گذاری در تحقیقات محاسبات کوانتومی در بخش های دولتی و خصوصی افزایش یافته است. [37] [38] همانطور که یک شرکت مشاوره خلاصه کرد، [39]

... دلارهای سرمایه گذاری سرازیر می شوند و استارت آپ های محاسبات کوانتومی در حال افزایش هستند. ... در حالی که محاسبات کوانتومی به کسب و کارها کمک می کند تا مشکلاتی را حل کنند که فراتر از دسترس و سرعت رایانه های معمولی با کارایی بالا هستند ، موارد استفاده در این مرحله اولیه تا حد زیادی تجربی و فرضی هستند.

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:8 توسط علی رضا نقش |

1-کامپیوتر کوانتومی

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

IBM Q System One ، یک کامپیوتر کوانتومی با 20 کیوبیت ابررسانا [1]

کامپیوتر کوانتومی کامپیوتری است که از پدیده های مکانیک کوانتومی بهره برداری می کند. در مقیاس‌های کوچک، ماده فیزیکی خواص ذرات و امواج را نشان می‌دهد و محاسبات کوانتومی این رفتار را با استفاده از سخت‌افزار تخصصی اعمال می‌کند. فیزیک کلاسیک نمی تواند عملکرد این دستگاه های کوانتومی را توضیح دهد، و یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس پذیر می تواند برخی از محاسبات را به طور تصاعدی سریعتر از هر کامپیوتر مدرن "کلاسیک" انجام دهد. به طور خاص، یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ می‌تواند طرح‌های رمزگذاری پرکاربرد را بشکند و به فیزیکدانان در انجام شبیه‌سازی‌های فیزیکی کمک کند . با این حال، وضعیت فعلی هنر هنوز تا حد زیادی تجربی و غیر عملی است.

واحد اصلی اطلاعات در محاسبات کوانتومی کیوبیت است، مشابه بیت در الکترونیک دیجیتال سنتی. برخلاف یک بیت کلاسیک، یک کیوبیت می‌تواند در برهم‌نهی دو حالت «پایه» خود وجود داشته باشد، که به طور آزاد به این معنی است که در هر دو حالت به طور همزمان است. هنگام اندازه گیری یک کیوبیت، نتیجه یک خروجی احتمالی یک بیت کلاسیک است. اگر یک کامپیوتر کوانتومی کیوبیت را به روشی خاص دستکاری کند، اثرات تداخل موج می تواند نتایج اندازه گیری مورد نظر را تقویت کند. طراحی الگوریتم های کوانتومی شامل ایجاد رویه هایی است که به کامپیوتر کوانتومی اجازه می دهد تا محاسبات را به طور موثر انجام دهد.

مهندسی فیزیکی کیوبیت های با کیفیت بالا چالش برانگیز است. اگر یک کیوبیت فیزیکی به اندازه کافی از محیط خود جدا نشده باشد ، دچار ناهمدوسی کوانتومی می شود که نویز را وارد محاسبات می کند. دولت‌های ملی سرمایه‌گذاری زیادی در تحقیقات تجربی انجام داده‌اند که هدف آن توسعه کیوبیت‌های مقیاس‌پذیر با زمان انسجام طولانی‌تر و نرخ خطای کمتر است. دو تا از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها ابررساناها (که جریان الکتریکی را با حذف مقاومت الکتریکی جدا می‌کنند ) و تله‌های یونی (که یک ذره اتمی را با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی محدود می‌کنند ) هستند.

هر مشکل محاسباتی که توسط یک کامپیوتر کلاسیک قابل حل باشد توسط یک کامپیوتر کوانتومی نیز قابل حل است. [2] برعکس، هر مشکلی که می تواند توسط یک کامپیوتر کوانتومی حل شود، می تواند توسط یک کامپیوتر کلاسیک نیز حل شود، حداقل در اصل با داشتن زمان کافی. به عبارت دیگر، کامپیوترهای کوانتومی از تز چرچ-تورینگ پیروی می کنند . این بدان معناست که در حالی که رایانه‌های کوانتومی هیچ مزیت اضافی نسبت به رایانه‌های کلاسیک از نظر محاسبه‌پذیری ندارند، الگوریتم‌های کوانتومی برای مسائل خاص پیچیدگی‌های زمانی بسیار کمتری نسبت به الگوریتم‌های کلاسیک شناخته‌شده مربوطه دارند. نکته قابل توجه، اعتقاد بر این است که کامپیوترهای کوانتومی قادر به حل سریع مسائل خاصی هستند که هیچ کامپیوتر کلاسیکی نمی تواند آن را حل کند.مقدار زمان - شاهکاری که به عنوان " برتری کوانتومی " شناخته می شود . مطالعه پیچیدگی محاسباتی مسائل با توجه به کامپیوترهای کوانتومی به عنوان نظریه پیچیدگی کوانتومی شناخته می شود .

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:6 توسط علی رضا نقش |

شبیه ساز کوانتومی

در این عکس از یک کریستال شبیه‌ساز کوانتومی، یون‌ها در حال فلورسانس هستند ، که نشان می‌دهد کیوبیت‌ها همه در یک حالت هستند (یا "1" یا "0"). در شرایط آزمایشی مناسب، کریستال یونی به طور خود به خود این ساختار شبکه مثلثی تقریباً کامل را تشکیل می دهد. اعتبار: Britton/NIST

تصویر شبیه ساز کوانتومی یون به دام افتاده: قلب شبیه ساز یک کریستال دو بعدی از یون های بریلیم است (کره های آبی در تصویر). بیرونی ترین الکترون هر یون یک بیت کوانتومی است (کیوبیت، فلش های قرمز). یون ها توسط یک میدان مغناطیسی بزرگ در دستگاهی به نام تله پنینگ (نشان داده نشده) محدود می شوند. در داخل تله، کریستال در جهت عقربه های ساعت می چرخد. اعتبار: Britton/NIST

شبیه سازهای کوانتومی امکان مطالعه یک سیستم کوانتومی را به روشی قابل برنامه ریزی فراهم می کنند. در این مثال، شبیه‌سازها دستگاه‌هایی با هدف ویژه هستند که برای ارائه بینش در مورد مسائل فیزیک خاص طراحی شده‌اند . [1] [2] [3] شبیه‌سازهای کوانتومی ممکن است با رایانه‌های کوانتومی "دیجیتال" قابل برنامه‌ریزی کلی مقایسه شوند ، که می‌توانند کلاس وسیع‌تری از مسائل کوانتومی را حل کنند.

یک شبیه ساز کوانتومی جهانی یک کامپیوتر کوانتومی است که توسط یوری مانین در سال 1980 [4] و ریچارد فاینمن در سال 1982 پیشنهاد شد. بتواند اثر کوانتومی مورد نیاز را تقلید کند. [5] [6]

یک سیستم کوانتومی متشکل از ذرات بسیاری را می توان توسط یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از تعدادی بیت کوانتومی مشابه تعداد ذرات در سیستم اصلی شبیه سازی کرد. [5] این به کلاس های بسیار بزرگتری از سیستم های کوانتومی گسترش یافته است. [7] [8] [9] [10]

شبیه‌سازهای کوانتومی بر روی تعدادی از پلتفرم‌های آزمایشی، از جمله سیستم‌های گازهای کوانتومی فوق‌سرد ، مولکول‌های قطبی، یون‌های به دام افتاده، سیستم‌های فوتونیک، نقاط کوانتومی و مدارهای ابررسانا ساخته شده‌اند. [11]

حل مسائل فیزیک [ ویرایش ]

بسیاری از مسائل مهم در فیزیک، به‌ویژه فیزیک دمای پایین و فیزیک بدن‌های متعدد ، به خوبی درک نشده‌اند، زیرا مکانیک کوانتومی زیربنایی بسیار پیچیده است. کامپیوترهای معمولی، از جمله ابررایانه‌ها، برای شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی با 30 ذره کافی نیستند، زیرا ابعاد فضای هیلبرت به طور تصاعدی با تعداد ذرات افزایش می‌یابد. [6] ابزارهای محاسباتی بهتری برای درک و طراحی منطقی موادی لازم است که خواص آنها به رفتار کوانتومی جمعی صدها ذره بستگی دارد. [2] [3]شبیه سازهای کوانتومی یک مسیر جایگزین برای درک ویژگی های این سیستم ها ارائه می دهند. این شبیه سازها تحقق تمیزی از سیستم های خاص مورد علاقه را ایجاد می کنند که امکان تحقق دقیق ویژگی های آنها را فراهم می کند. کنترل دقیق و تنظیم گسترده پارامترهای سیستم اجازه می دهد تا تأثیر پارامترهای مختلف به طور تمیز از هم جدا شود.

شبیه‌سازهای کوانتومی می‌توانند مسائلی را حل کنند که شبیه‌سازی آنها در رایانه‌های کلاسیک دشوار است، زیرا مستقیماً از ویژگی‌های کوانتومی ذرات واقعی بهره‌برداری می‌کنند. به طور خاص، آنها از ویژگی مکانیک کوانتومی به نام برهم نهی استفاده می کنند ، که در آن یک ذره کوانتومی به طور همزمان در دو حالت مجزا قرار می گیرد، به عنوان مثال، هم تراز و ضد تراز با یک میدان مغناطیسی خارجی. مهمتر از همه، شبیه سازها همچنین از ویژگی کوانتومی دوم به نام درهم تنیدگی بهره می برند ، که اجازه می دهد رفتار حتی ذرات به خوبی جدا شده از نظر فیزیکی همبستگی داشته باشد. [2] [3] [12]

اخیراً از شبیه سازهای کوانتومی برای به دست آوردن کریستال های زمان [13] [14] و مایعات اسپین کوانتومی استفاده شده است. [15] [16]

شبیه سازهای یون به دام افتاده [ ویرایش ]

سیستم مبتنی بر تله یونی یک محیط ایده آل برای شبیه سازی برهمکنش ها در مدل های اسپین کوانتومی ایجاد می کند. [17] یک شبیه‌ساز یون به دام افتاده ، ساخته شده توسط تیمی که شامل NIST می‌شود، می‌تواند برهم‌کنش‌های بین صدها بیت کوانتومی (کیوبیت) را مهندسی و کنترل کند. [18] تلاش های قبلی قادر به فراتر رفتن از 30 بیت کوانتومی نبودند. توانایی این شبیه ساز 10 برابر بیشتر از دستگاه های قبلی است. این یک سری از آزمون‌های معیاری مهم را گذرانده است که نشان‌دهنده توانایی حل مسائلی در علم مواد است که مدل‌سازی آنها بر روی رایانه‌های معمولی غیرممکن است.

شبیه ساز یون به دام افتاده از یک کریستال کوچک و تک صفحه ای متشکل از صدها یون بریلیم با قطر کمتر از 1 میلی متر تشکیل شده است که درون دستگاهی به نام تله پنینگ معلق است . بیرونی ترین الکترون هر یون به عنوان یک آهنربای کوانتومی کوچک عمل می کند و به عنوان یک کیوبیت، معادل کوانتومی "1" یا "0" در یک کامپیوتر معمولی استفاده می شود. در آزمایش محک زدن، فیزیکدانان از پرتوهای لیزر برای خنک کردن یون ها تا نزدیک به صفر مطلق استفاده کردند. پالس های مایکروویو و لیزر با دقت زمان بندی شده اندسپس باعث شد کیوبیت ها برهم کنش داشته باشند و رفتار کوانتومی مواد را تقلید کنند، در غیر این صورت مطالعه در آزمایشگاه بسیار دشوار است. اگرچه ممکن است این دو سیستم از نظر ظاهری متفاوت به نظر برسند، اما رفتار آنها طوری مهندسی شده است که از نظر ریاضی یکسان باشد. به این ترتیب، شبیه‌سازها به محققان اجازه می‌دهند پارامترهایی را که در جامدات طبیعی تغییر نمی‌کنند، مانند فاصله شبکه اتمی و هندسه، تغییر دهند.

Friedenauer و همکاران، 2 اسپین را به صورت آدیاباتیک دستکاری کردند و جدایی آنها را به حالت فرومغناطیسی و ضد فرومغناطیسی نشان دادند. [19] کیم و همکاران، شبیه‌ساز کوانتومی یون به دام افتاده را به 3 اسپین گسترش دادند، با برهمکنش‌های ایزینگ ضد فرومغناطیسی جهانی که شامل سرخوردگی و نشان دادن پیوند بین سرخوردگی و درهم‌تنیدگی بود [20] و اسلام و همکاران، از شبیه‌سازی کوانتومی آدیاباتیک برای نشان دادن تیز کردن استفاده کردند. از یک انتقال فاز بین نظم پارامغناطیس و فرومغناطیسی با افزایش تعداد اسپین ها از 2 به 9. [21] Barreiro et al. یک شبیه‌ساز کوانتومی دیجیتال از چرخش‌های برهمکنش با حداکثر 5 یون به دام افتاده با جفت شدن به یک مخزن باز [22] و Lanyon و همکارانش ایجاد کردند.شبیه سازی کوانتومی دیجیتال با حداکثر 6 یون را نشان داد. [23] اسلام، و همکاران، شبیه‌سازی کوانتومی آدیاباتیک مدل Ising عرضی را با برهمکنش‌های برد متغیر (طولانی) با حداکثر 18 اسپین یونی به دام افتاده نشان دادند، که کنترل سطح سرخوردگی اسپین را با تنظیم محدوده برهم‌کنش ضد فرومغناطیسی نشان داد. [24] بریتون و همکاران. از NIST به طور تجربی برهمکنش های Ising را در یک سیستم صدها کیوبیت برای مطالعات مغناطیس کوانتومی محک زده است. [18] پاگانو، و همکاران، یک سیستم جدید به دام انداختن یون برودتی را گزارش کردند که برای ذخیره طولانی مدت زنجیره های یونی بزرگ طراحی شده است که عملیات منسجم یک و دو کیوبیت را برای زنجیره های تا 44 یون نشان می دهد. [25]جوشی و همکاران، دینامیک کوانتومی 51 یون کنترل شده را بررسی کردند و یک زنجیره چرخشی برهم کنش دوربرد را کشف کردند. [26]

شبیه سازهای اتم فوق سرد [ ویرایش ]

بسیاری از آزمایش های اتم فوق سرد نمونه هایی از شبیه سازهای کوانتومی هستند. اینها شامل آزمایش‌هایی برای مطالعه بوزون‌ها یا فرمیون‌ها در شبکه‌های نوری ، گاز فرمی واحد، آرایه‌های اتم ریدبرگ در موچین‌های نوری است. یک موضوع مشترک برای این آزمایش ها، توانایی تحقق همیلتونی های عمومی، مانند هابارد یا ایزینگ همیلتونین با میدان عرضی است . اهداف اصلی این آزمایش‌ها شامل شناسایی فازهای دمای پایین یا ردیابی دینامیک خارج از تعادل برای مدل‌های مختلف است، مشکلاتی که از نظر تئوری و عددی غیرقابل حل هستند. [27] [28]آزمایش‌های دیگر مدل‌های ماده متراکم را در رژیم‌هایی که تحقق آنها با مواد معمولی دشوار یا غیرممکن است، مانند مدل Haldane و مدل Harper-Hofstadter، محقق کرده‌اند . [29] [30] [31] [32] [33]

کیوبیت های ابررسانا [ ویرایش ]

شبیه سازهای کوانتومی با استفاده از کیوبیت های ابررسانا به دو دسته اصلی تقسیم می شوند. اول، به اصطلاح آنیل‌کننده‌های کوانتومی ، وضعیت پایه برخی از هامیلتون‌ها را پس از یک رمپ آدیاباتیک تعیین می‌کنند. این رویکرد گاهی اوقات محاسبات کوانتومی آدیاباتیک نامیده می شود . دوم، بسیاری از سیستم‌ها همیلتونی‌های خاص را شبیه‌سازی می‌کنند و ویژگی‌های حالت پایه، انتقال فاز کوانتومی، یا دینامیک زمانی آنها را مطالعه می‌کنند. [34] چندین نتیجه مهم اخیر شامل تحقق یک عایق Mott در یک سیستم بوز-هابارد اتلاف‌پذیر محرکه و مطالعات انتقال فاز در شبکه‌های تشدیدگرهای ابررسانا همراه با کیوبیت است. [35] [36]

همچنین ببینید

+ نوشته شده در یکشنبه شانزدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:54 توسط علی رضا نقش |

OECC

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

OECC که در سال 1996 تأسیس شد، کنفرانسی سالانه است که مجموعه مقالات و مقالات علمی تحقیقاتی را در نتیجه کنفرانس های خود منتشر می کند. OECC مخفف OptoElectronics and Communications Conference است که از زمان تأسیس تا سال جاری جلسات سالانه ای را برگزار کرده است. با گستره بین المللی، حوزه های مورد توجه OECC، نشست های سالانه در منطقه آسیا و اقیانوسیه است که بر روی الکترونیک نوری و ارتباطات نوری متمرکز است .حرفه وظیفه این جلسات گزارش، بحث، تبادل و تولید ایده هایی است که رشته های الکترونیک نوری و ارتباطات نوری را ارتقا می بخشد. برقراری ارتباط با برنامه های فعلی و آتی مرتبط با این رشته ها نیز از وظایف این جلسات است. [1] [2] [3] [4]

دامنه [ ویرایش ]

پوشش موضوعی این کنفرانس سالانه شامل فیبر نوری و شبکه‌های ارتباطی (معماری، عملکرد، مسیریابی ، سیستم‌های WDM ، شبکه‌های WDM، سالیتون‌ها، OTDM، CDMA و غیرخطی‌های فیبر)، شبکه‌های کامپیوتری (پروتکل‌ها، امنیت، طراحی، الگوریتم‌ها، مدیریت و ماژول ها) برنامه های کاربردی در فوتونیک ، فناوری های تجاری (از جمله بی سیم ، چند رسانه ای ، واقعیت مجازی ، ارتباطات، گفتار و نرم افزار)، دستگاه های الکترونیک نوری، لیزرهای نیمه هادی و سایر موضوعات مرتبط. [5]

OECC های گذشته [ ویرایش ]

سال	کشور/منطقه	شهر	تاریخ	اوراق	حضور
2010	ژاپن	ساپورو	5-9 جولای	470	545
2009	SAR هنگ کنگ	هنگ کنگ	13-17 جولای	451	491
2008	استرالیا	سیدنی	7-11 جولای	464	463
2007	ژاپن	یوکوهاما	9-13 جولای	398	568
2006	تایوان	کائوسیونگ	3-7 جولای	415	452
2005	کره جنوبی)	سئول	4-8 جولای	448	573
2004	ژاپن	یوکوهاما	12-16 جولای	461	634
2003	چین	شانگهای	13-16 اکتبر	381	410
2002	ژاپن	یوکوهاما	8-12 جولای	327	607
2001	استرالیا	سیدنی	2-5 جولای	274	457
2000	ژاپن	چیبا	11-14 جولای	309	717
1999	چین	پکن	18-22 اکتبر	479	500
1998	ژاپن	چیبا	13-16 جولای	290	640
1997	کره جنوبی)	سئول	8-11 جولای	338	696
1996	ژاپن	چیبا	16-19 جولای	305	642

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/OECC

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:21 توسط علی رضا نقش |

رابط نوری موازی

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

رابط نوری موازی شکلی از فناوری فیبر نوری است که عمدتاً در ارتباطات و شبکه در فواصل نسبتاً کوتاه (کمتر از 300 متر) و در پهنای باند بالا هدف قرار می گیرد.

رابط های نوری موازی با ارتباطات سنتی فیبر نوری تفاوت دارند زیرا داده ها به طور همزمان از طریق چندین فیبر ارسال و دریافت می شوند. روش های مختلفی برای تقسیم داده ها روی این پیوند با پهنای باند بالا وجود دارد. در ساده ترین شکل، پیوند نوری موازی جایگزینی برای بسیاری از پیوندهای ارتباطی داده سریال است . در برنامه معمولی تر، یک بایت از اطلاعات به بیت ها تقسیم می شود و هر بیت کدگذاری می شود و بین فیبرهای جداگانه ارسال می شود. نیازی به گفتن نیست که راه های زیادی برای انجام این چندگانه سازی وجود دارد ، مشروط بر اینکه کدگذاری اساسی در سطح فیبر نیاز کانال را برآورده کند.

برنامه های اصلی برای رابط های نوری موازی در ارتباطات راه دور و ابر رایانه ها یافت می شود ، همچنین به برنامه های مصرف کننده معرفی می شوند. [1] صفحات پشتی مسی را که معمولاً برای طراحی تجهیزات سوئیچینگ بزرگ استفاده می‌شوند، جابجا می‌کند.

دو شکل از محصولات تجاری موجود برای رابط های نوری موازی وجود دارد. اولی یک سیستم دوازده کانالی است که از یک فرستنده نوری و یک گیرنده نوری تشکیل شده است . دومی یک محصول فرستنده گیرنده چهار کاناله است که قادر به انتقال چهار کانال و دریافت چهار کانال در یک محصول است. [2]

اپتیک موازی اغلب مقرون به صرفه ترین راه حل برای انتقال داده ها با سرعت 40 گیگابیت در ثانیه در فواصل بیش از 100 متر است. فرستنده و گیرنده نوری 100GE دارای 100 گیگابیت انتقال داده است. داده ها در هر دو مکانیسم دوبلکس و موازی با 100GE تحویل داده می شوند. [3]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Parallel_optical_interface

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:19 توسط علی رضا نقش |

اپتو ایزولاتور

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

این مقاله در مورد قطعات الکترونیکی است. برای بخش نوری، جداکننده نوری را ببینید .

نمودار شماتیک یک جداساز نوری که منبع نور (LED) را در سمت چپ، مانع دی الکتریک در مرکز، و سنسور (ترانزیستور نوری) را در سمت راست نشان می دهد. [یادداشت 1]

اپتو ایزولاتور (همچنین به آن کوپلر ، فتوکوپلر یا جداکننده نوری نیز گفته می‌شود) یک قطعه الکترونیکی است که سیگنال‌های الکتریکی را با استفاده از نور بین دو مدار ایزوله منتقل می‌کند. [1] اپتو ایزولاتورها از تأثیر ولتاژ بالا بر سیستم دریافت کننده سیگنال جلوگیری می کنند. [2] اپتو ایزولاتورهای تجاری موجود، ولتاژ ورودی به خروجی تا 10 کیلو ولت [3] و ولتاژ گذرا با سرعت تا 25 کیلوولت بر ثانیه را تحمل می کنند . [4]

یک نوع متداول اپتو ایزولاتور شامل یک LED و یک ترانزیستور نوری در یک بسته مات است. انواع دیگر ترکیبات منبع و حسگر عبارتند از LED- فوتودیود ، LED- LASCR و جفت لامپ - مقاومت نوری . معمولاً جداسازهای نوری سیگنال‌های دیجیتال (روشن خاموش) را انتقال می‌دهند، اما برخی از تکنیک‌ها امکان استفاده از آنها را با سیگنال‌های آنالوگ فراهم می‌کنند.

تاریخچه [ ویرایش ]

ارزش جفت نوری یک ساطع کننده نور حالت جامد به یک آشکارساز نیمه هادی به منظور جداسازی الکتریکی در سال 1963 توسط Akmenkalns و همکاران شناسایی شد. (اختراع ایالات متحده 3,417,249). جداسازهای نوری مبتنی بر مقاومت نوری در سال 1968 معرفی شدند. آنها کندترین و در عین حال خطی ترین جداسازها هستند و هنوز هم بازار ویژه ای را در صنایع صوتی و موسیقی حفظ کرده اند. تجاری‌سازی فناوری LED در سال‌های 1968-1970 باعث رونق در اپتوالکترونیک شد و در پایان دهه 1970، صنعت تمام انواع اصلی جداکننده‌های نوری را توسعه داد. اکثر جداسازهای نوری موجود در بازار از سنسورهای فوتوترانزیستور سیلیکونی دوقطبی استفاده می کنند. [5] آنها به سرعت انتقال داده متوسطی می رسند که برای کاربردهایی مانند الکتروانسفالوگرافی کافی است .[6] سریعترین جداسازهای نوری از دیودهای پین در حالت رسانای نوری استفاده می کنند .

عملیات [ ویرایش ]

یک اپتو ایزولاتور حاوی یک منبع (گسترش کننده) نور است، تقریباً همیشه یک دیود ساطع کننده نور مادون قرمز نزدیک (LED)، که سیگنال ورودی الکتریکی را به نور تبدیل می کند، یک کانال نوری بسته (همچنین به نام کانال دی الکتریک [7] ) و یک حسگر نوری که نور ورودی را تشخیص می‌دهد و یا مستقیماً انرژی الکتریکی تولید می‌کند یا جریان الکتریکی را که از منبع تغذیه خارجی جریان می‌یابد تعدیل می‌کند. سنسور می تواند یک مقاومت نوری ، یک فوتودیود ، یک ترانزیستور نوری ، یک یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون (SCR) یا یک ترایاک باشد. . از آنجایی که ال ای دی ها می توانند نور را علاوه بر ساطع آن حس کنند، ساخت جداسازهای نوری متقارن و دو جهته امکان پذیر است. یک رله حالت جامد اپتوکوپل شده حاوی یک جداساز نوری فتودیود است که یک سوئیچ برق، معمولاً یک جفت ماسفت مکمل را به حرکت در می آورد. یک سوئیچ نوری شیاردار حاوی یک منبع نور و یک حسگر است، اما کانال نوری آن باز است و امکان مدولاسیون نور را توسط اجسام خارجی که مسیر نور را مسدود می‌کنند یا نور را به درون حسگر منعکس می‌کنند، می‌دهد.

عایق الکتریکی [ ویرایش ]

طرح بندی مسطح (بالا) و گنبد سیلیکونی (پایین) - مقطع از طریق یک بسته استاندارد دوگانه در خط . اندازه های نسبی LED (قرمز) و سنسور (سبز) اغراق آمیز هستند. [یادداشت 2]

تجهیزات الکترونیکی و خطوط انتقال سیگنال و برق می توانند در معرض نوسانات ولتاژ ناشی از رعد و برق ، تخلیه الکترواستاتیکی ، انتقال فرکانس رادیویی ، پالس های سوئیچینگ (اسپیک) و اختلالات در منبع تغذیه قرار گیرند. [8] رعد و برق از راه دور می تواند باعث ایجاد نوساناتی تا 10 کیلو ولت شود ، که هزار برابر بیشتر از محدودیت های ولتاژ بسیاری از قطعات الکترونیکی است. [9] یک مدار همچنین می‌تواند ولتاژهای بالا را بر اساس طراحی ترکیب کند، در این صورت به وسایل ایمن و قابل اعتماد برای اتصال اجزای ولتاژ بالا با قطعات ولتاژ پایین نیاز دارد. [10]

عملکرد اصلی یک اپتو ایزولاتور مسدود کردن چنین ولتاژهای بالا و ولتاژهای گذرا است، به طوری که یک موج در یک قسمت از سیستم باعث اختلال یا تخریب قسمت های دیگر نمی شود. [2] [11] از نظر تاریخی، این تابع به ترانسفورماتورهای جداسازی واگذار شده است که از جفت القایی بین دو طرف ورودی و خروجی جدا شده از گالوانیکی استفاده می کنند. ترانسفورماتورها و جداکننده‌های نوری تنها دو دسته از دستگاه‌های الکترونیکی هستند که محافظت تقویت‌شده را ارائه می‌کنند - هم از تجهیزات و هم از کاربر انسانی که این تجهیزات را اداره می‌کند محافظت می‌کنند. [12] آنها حاوی یک مانع جداسازی فیزیکی منفرد هستند، اما حفاظتی معادل انزوا دوگانه ارائه می‌کنند.. [12] ایمنی، آزمایش و تایید کوپلرهای نوری توسط استانداردهای ملی و بین‌المللی تنظیم می‌شود: IEC 60747-5-2، EN (CENELEC) 60747-5-2، UL 1577، CSA Component Acceptance Notice #5، و غیره . 13] مشخصات Opto-Isolator منتشر شده توسط سازندگان همیشه حداقل یکی از این چارچوب های نظارتی را دنبال می کند.

یک اپتو ایزولاتور دو طرف ورودی و خروجی را با یک پرتو نور مدوله شده توسط جریان ورودی متصل می کند. سیگنال ورودی مفید را به نور تبدیل می کند، آن را به کانال دی الکتریک می فرستد ، نور را در سمت خروجی می گیرد و دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. بر خلاف ترانسفورماتورها که انرژی را در هر دو جهت [یادداشت 3] با تلفات بسیار کم منتقل می کنند، جداسازهای اپتو یک جهته هستند (به استثناها مراجعه کنید ) و نمی توانند نیرو را انتقال دهند. [14] جداسازهای نوری معمولی فقط می توانند جریان انرژی موجود در سمت خروجی را تعدیل کنند. [14] برخلاف ترانسفورماتورها، اپتو ایزولاتورها می‌توانند سیگنال‌های DC یا آهسته را عبور دهند و نیازی به آن ندارند.تطبیق امپدانس بین دو طرف ورودی و خروجی [نکته 4] هم ترانسفورماتورها و هم اپتو ایزولاتورها در شکستن حلقه های زمین ، رایج در تجهیزات صنعتی و مرحله ای، که در اثر جریان های برگشتی زیاد یا پر سر و صدا در سیم های زمین ایجاد می شود، موثر هستند . [15]

طرح فیزیکی یک اپتو ایزولاتور در درجه اول به ولتاژ جداسازی مورد نظر بستگی دارد. دستگاه هایی که برای کمتر از چند کیلوولت رتبه بندی شده اند، ساختار مسطح (یا ساندویچی) دارند. [16] قالب حسگر مستقیماً روی قاب سرب بسته بندی آن نصب می شود (معمولاً یک بسته شش پین یا چهار پین دوگانه در خط ). [7] سنسور با ورقه ای از شیشه یا پلاستیک شفاف پوشانده شده است که روی آن قالب LED پوشانده شده است. [7] پرتو LED به سمت پایین شلیک می کند. برای به حداقل رساندن تلفات نور، طیف جذب مفید حسگر باید با طیف خروجی LED مطابقت داشته باشد که تقریباً همیشه در مادون قرمز نزدیک قرار دارد. [17] کانال نوری تا حد امکان نازک برای یک مورد دلخواه ساخته شده استولتاژ شکست . [16] به عنوان مثال، برای ولتاژهای کوتاه مدت 3.75 کیلو ولت و گذرا 1 کیلو ولت/μs، ورق پلی آمید شفاف در سری Avago ASSR-300 تنها 0.08 میلی متر ضخامت دارد. [18] ولتاژ شکست مجموعه‌های مسطح به ضخامت ورق شفاف [16] و پیکربندی سیم‌های پیوندی که قالب‌ها را با پین‌های خارجی متصل می‌کنند، بستگی دارد. [7] ولتاژ جداسازی مدار واقعی با خزش روی PCB و سطح بسته کاهش می‌یابد. قوانین طراحی ایمن نیاز به فاصله حداقل 25 میلی‌متر بر کیلوولت برای هادی‌های فلزی لخت یا 3/8 میلی‌متر بر کیلوولت برای هادی‌های روکش دار دارند. [19]

جداسازهای اپتو با ولتاژ 2.5 تا 6 کیلو ولت از طرح متفاوتی به نام گنبد سیلیکونی استفاده می کنند. [20] در اینجا، LED و قالب های حسگر در طرف مقابل بسته قرار می گیرند. LED به صورت افقی به سنسور شلیک می کند. [20] LED، حسگر و شکاف بین آنها در یک لکه یا گنبد از سیلیکون شفاف محصور شده است. گنبد به عنوان یک بازتابنده عمل می کند ، تمام نورهای سرگردان را حفظ می کند و آن را بر روی سطح سنسور منعکس می کند و تلفات را در یک کانال نوری نسبتا طولانی به حداقل می رساند. [20] در طرح‌های قالب دوتایی ، فضای بین حباب سیلیکونی ("قالب داخلی") و پوسته خارجی ("قالب بیرونی") با ترکیب دی الکتریک تیره با یک همسان پر شده است.ضریب انبساط حرارتی [21]

انواع اپتو ایزولاتور [ ویرایش ]

نوع دستگاه [یادداشت 5]	منبع نور [7]	نوع سنسور [7]	سرعت	نسبت انتقال فعلی
اپتو ایزولاتور مقاومتی (Vactrol)	لامپ رشته ای	مقاومت نوری CdS یا CdSe (LDR)	خیلی کم	<100% [یادداشت 6]
	لامپ نئون		کم
	LED مادون قرمز GaAs		کم
اپتو ایزولاتور دیود	LED مادون قرمز GaAs	فتودیود سیلیکونی	بالاترین	0.1-0.2٪ [22]
اپتو ایزولاتور ترانزیستوری	LED مادون قرمز GaAs	فوتوترانزیستور سیلیکونی دوقطبی	متوسط	2-120٪ [22]
اپتو ایزولاتور ترانزیستوری	LED مادون قرمز GaAs	فوتوترانزیستور دارلینگتون	متوسط	100-600٪ [22]
SCR اپتو ایزوله شده	LED مادون قرمز GaAs	یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون	کم تا متوسط	> 100٪ [23]
تریاک اپتو ایزوله شده	LED مادون قرمز GaAs	TRIAC	کم تا متوسط	خیلی بالا
رله حالت جامد	مجموعه ای از ال ای دی های مادون قرمز GaAs	مجموعه ای از فتودیودها که یک جفت ماسفت یا یک IGBT را هدایت می کنند	کم به زیاد [یادداشت 7]	عملا نامحدود

جداسازهای نوری مقاومتی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: اپتو ایزولاتور مقاومتی

اولین جداسازهای اپتو، که در ابتدا به عنوان سلول های سبک به بازار عرضه می شدند، در دهه 1960 ظهور کردند. آن‌ها از لامپ‌های رشته‌ای مینیاتوری به عنوان منبع نور و از مقاومت نوری سولفید کادمیوم (CdS) یا سلنید کادمیوم (CdSe) (که مقاومت‌های وابسته به نور، LDR نیز نامیده می‌شوند) به عنوان گیرنده استفاده کردند. در کاربردهایی که خطی بودن کنترل مهم نبود، یا در جاهایی که جریان موجود برای راه اندازی لامپ رشته ای بسیار کم بود (همانطور که در تقویت کننده های لوله خلاء وجود داشت)، با یک لامپ نئون جایگزین شد . این دستگاه‌ها (یا فقط جزء LDR آن‌ها) معمولاً Vactrols نامیده می‌شوند ، پس از یک علامت تجاری Vactec, Inc. از آن زمان این علامت تجاری عمومی شده است ، [یادداشت 8]اما Vactrols اصلی هنوز توسط PerkinElmer ساخته می شود . [24] [یادداشت 9]

تأخیر روشن و خاموش شدن یک لامپ رشته‌ای در محدوده صدها میلی‌ثانیه است، که لامپ را به یک فیلتر پایین‌گذر و یکسوکننده مؤثر تبدیل می‌کند، اما محدوده فرکانس مدولاسیون عملی را به چند هرتز محدود می‌کند. با معرفی دیودهای ساطع نور (LED) در سال‌های 1968 تا 1970، [25] سازندگان لامپ‌های رشته‌ای و نئون را با LED جایگزین کردند و زمان پاسخگویی 5 میلی‌ثانیه و فرکانس‌های مدولاسیون تا 250 هرتز را به دست آوردند. [26] نام Vactrol بر روی دستگاه‌های مبتنی بر LED که از سال 2010 هنوز در مقادیر کم تولید می‌شوند، منتقل شد. [27]

مقاومت نوری مورد استفاده در جداسازهای نوری به جلوه های حجیم در یک فیلم نیمه هادی یکنواخت متکی هستند . هیچ اتصال pn وجود ندارد . [28] در میان حسگرهای نوری، مقاومت نوری دستگاه‌های غیرقطبی هستند که برای مدارهای AC یا DC مناسب هستند. [28] مقاومت آنها به نسبت معکوس با شدت نور ورودی کاهش می یابد، از تقریباً بی نهایت به یک طبقه باقیمانده که ممکن است کمتر از صد اهم باشد. [28] این ویژگی‌ها، Vactrol اصلی را به یک کمپرسور و کنترل بهره خودکار راحت و ارزان برای شبکه‌های تلفن تبدیل کرد. مقاومت های نوری به راحتی ولتاژهای تا 400 ولت را تحمل می کنند، [28]که آنها را برای رانندگی نمایشگرهای فلورسنت خلاء ایده آل کرده است. سایر کاربردهای صنعتی عبارتند از فتوکپی ، اتوماسیون صنعتی ، ابزار اندازه گیری نور حرفه ای و نوردهی خودکار . [28] اکثر این برنامه‌ها در حال حاضر منسوخ شده‌اند، اما عایق‌های نوری مقاومتی جایگاهی در بازارهای صوتی، به‌ویژه تقویت‌کننده‌های گیتار ، حفظ کرده‌اند.

سازندگان گیتار و ارگ آمریکایی در دهه 1960 از اپتو ایزولاتور مقاومتی به عنوان یک مدولاتور راحت و ارزان ترمولو استقبال کردند. اثرات ترمولوی اولیه Fender از دو لوله خلاء استفاده می کرد. پس از سال 1964 یکی از این لوله ها با یک اپتوکوپلر ساخته شده از یک LDR و یک لامپ نئون جایگزین شد. [29] تا به امروز، Vactrols فعال شده با فشار دادن پدال stompbox در همه جا در صنعت موسیقی وجود دارد. [30] کمبود PerkinElmer Vactrols واقعی، جامعه گیتار DIY را مجبور کرد تا جداکننده‌های مقاومتی خود را بچرخانند. [31] گیتاریست‌ها تا به امروز افکت‌های اپتو ایزوله را ترجیح می‌دهند، زیرا جدایی برتر آنها از زمینه‌های صوتی و کنترلیمنجر به "کیفیت ذاتی صدای بالا" می شود. [31] با این حال، اعوجاج وارد شده توسط یک مقاومت نوری در سیگنال سطح خط ، بیشتر از یک تقویت‌کننده حرفه‌ای با ولتاژ جفت شده با ولتاژ است . [32] عملکرد بیشتر با نوسانات آهسته مقاومت به دلیل سابقه نور ، اثر حافظه ذاتی در ترکیبات کادمیوم به خطر می افتد. چنین نوساناتی ساعت ها طول می کشد تا حل شود و فقط تا حدی می تواند با بازخورد در مدار کنترل جبران شود. [33]

عایق نوری فوتودیود [ ویرایش ]

یک عایق نوری فتودیود سریع با مدار تقویت کننده سمت خروجی.

عایق‌های نوری دیود از LED به عنوان منبع نور و فتودیود سیلیکونی به عنوان حسگر استفاده می‌کنند. هنگامی که فتودیود با یک منبع ولتاژ خارجی بایاس معکوس می شود، نور ورودی جریان معکوس عبوری از دیود را افزایش می دهد. خود دیود انرژی تولید نمی کند. جریان انرژی از یک منبع خارجی را تعدیل می کند. این حالت عملکرد، حالت رسانای نوری نامیده می شود . از طرف دیگر، در غیاب بایاس خارجی، دیود انرژی نور را با شارژ کردن پایانه‌های خود به ولتاژی تا 0.7 ولت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. نرخ شارژ متناسب با شدت نور ورودی است . انرژی با تخلیه بار از طریق یک مسیر خارجی با امپدانس بالا جمع آوری می شود. نسبت انتقال فعلی می تواند به 0.2٪ برسد.[22] این حالت از عملکرد حالت فتوولتائیک نامیده می شود .

سریعترین جداسازهای نوری از دیودهای پین در حالت رسانای نوری استفاده می کنند. زمان پاسخ دیودهای PIN در محدوده زیر نانوثانیه قرار دارد. سرعت کلی سیستم با تاخیر در خروجی LED و مدار بایاس محدود می شود. برای به حداقل رساندن این تأخیرها، جداسازهای دیجیتال سریع دارای درایورهای LED و تقویت کننده های خروجی خود هستند که برای سرعت بهینه شده اند. به این دستگاه‌ها، اپتو ایزولاتورهای منطقی کامل گفته می‌شود : ال‌ای‌دی‌ها و حسگرهای آن‌ها به طور کامل در یک مدار منطقی دیجیتال محصور شده‌اند. [34] خانواده دستگاه های Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 مجهز به تقویت کننده های خروجی داخلی در اواخر دهه 1970 معرفی شدند و به سرعت انتقال داده 10 مگابایت در روز رسیدند. [35]این استاندارد تا زمان معرفی 50 مگابایت Agilent Technologies [یادداشت 10] خانواده 7723/0723 در سال 2002 ، به عنوان یک استاندارد صنعتی باقی ماند. منبع تغذیه خارجی هر کدام 5 ولت [37]

جداسازهای نوری فتودیود را می توان برای اتصال سیگنال های آنالوگ استفاده کرد، اگرچه غیرخطی بودن آنها همیشه سیگنال را مخدوش می کند . دسته خاصی از جداسازهای اپتو آنالوگ معرفی شده توسط Burr-Brown از دو فتودیود و یک تقویت کننده عملیاتی سمت ورودی برای جبران غیرخطی بودن دیود استفاده می کنند. یکی از دو دیود یکسان به حلقه فیدبک تقویت کننده متصل می شود، که نسبت انتقال جریان کلی را بدون توجه به غیر خطی بودن دیود دوم (خروجی) در یک سطح ثابت نگه می دارد. [38]

یک ایده جدید از یک جداساز سیگنال آنالوگ نوری خاص در 3 ژوئن 2011 ارائه شد. پیکربندی پیشنهادی از دو بخش مختلف تشکیل شده است. یکی از آنها سیگنال را انتقال می دهد و دیگری یک بازخورد منفی ایجاد می کند تا اطمینان حاصل شود که سیگنال خروجی دارای ویژگی های مشابه سیگنال ورودی است. این جداساز آنالوگ پیشنهادی در محدوده وسیعی از ولتاژ و فرکانس ورودی خطی است. [39] با این حال، کوپلرهای خطی اپتو با استفاده از این اصل برای سال‌ها در دسترس بوده‌اند، برای مثال IL300. [40]

رله‌های حالت جامد که در اطراف سوئیچ‌های ماسفت ساخته می‌شوند، معمولاً از یک جداکننده نوری فوتودیود برای راه‌اندازی سوئیچ استفاده می‌کنند. گیت ماسفت برای روشن شدن به شارژ کلی نسبتاً کمی نیاز دارد و جریان نشتی آن در حالت ثابت بسیار کم است. یک فتودیود در حالت فتوولتائیک می تواند شارژ روشن را در مدت زمان کوتاهی تولید کند، اما ولتاژ خروجی آن چندین برابر کمتر از ولتاژ آستانه ماسفت است . برای رسیدن به آستانه مورد نیاز، رله‌های حالت جامد دارای پشته‌هایی تا سی فتودیود هستند که به صورت سری سیم‌کشی شده‌اند. [21]

جداسازهای نوری ترانزیستور نوری [ ویرایش ]

فوتوترانزیستورها ذاتا کندتر از فتودیودها هستند. [41] برای مثال، اولین و کندترین اما هنوز رایج اپتو ایزولاتور 4N35 دارای زمان افزایش و سقوط 5 میکرو ثانیه در یک بار 100 اهم است [42] و پهنای باند آن در حدود 10 کیلوهرتز محدود است - برای کاربردهایی مانند الکتروانسفالوگرافی کافی است. [6] یا کنترل موتور با عرض پالس . [43] دستگاه هایی مانند PC-900 یا 6N138 توصیه شده در مشخصات رابط دیجیتالی ابزار موسیقی اصلی 1983 [44] سرعت انتقال داده های دیجیتالی ده ها کیلوباد را امکان پذیر می کنند. [45] فوتوترانزیستورها باید به درستی بایاس شوندو برای دستیابی به حداکثر سرعت خود بارگذاری می شوند، برای مثال، 4N28 تا 50 کیلوهرتز با بایاس بهینه و کمتر از 4 کیلوهرتز بدون آن کار می کند. [46]

طراحی با اپتو ایزولاتورهای ترانزیستوری نیاز به هزینه های سخاوتمندانه برای نوسانات گسترده پارامترهای موجود در دستگاه های تجاری موجود دارد. [46] چنین نوساناتی ممکن است مخرب باشد، به عنوان مثال، زمانی که یک اپتو ایزولاتور در حلقه بازخورد مبدل DC به DC عملکرد انتقال خود را تغییر می‌دهد و باعث نوسانات کاذب می‌شود، [20] یا زمانی که تاخیرهای غیرمنتظره در جداکننده‌های نوری باعث می‌شود. اتصال کوتاه از یک طرف پل H [47] برگه‌های اطلاعات تولیدکنندگان معمولاً فقط مقادیر بدترین حالت را برای پارامترهای حیاتی فهرست می‌کنند. دستگاه های واقعی به شکلی غیرقابل پیش بینی از این بدترین تخمین ها پیشی می گیرند.[46] باب پیز مشاهده کرد که نسبت انتقال جریان در دسته ای از 4N28 می تواند از 15% تا بیش از 100% متغیر باشد. دیتاشیت فقط حداقل 10% را مشخص کرده است. ترانزیستور بتا در همان دسته می تواند از 300 تا 3000 متغیر باشد که منجر به واریانس 10:1 در پهنای باند می شود. [46]

جداسازهای نوری که از ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) به عنوان حسگر استفاده می کنند، نادر هستند و مانند واکترول ها، می توانند به عنوان پتانسیومترهای آنالوگ کنترل از راه دور استفاده شوند، مشروط بر اینکه ولتاژ در ترمینال خروجی FET از چند صد میلی ولت تجاوز نکند. [38] Opto-FET ها بدون تزریق شارژ سوئیچینگ در مدار خروجی روشن می شوند، که به ویژه در مدارهای نمونه و نگهدارنده مفید است. [11]

جداسازهای نوری دو جهته [ ویرایش ]

تمام جداسازهای اپتو که تاکنون توضیح داده شده اند یک جهته هستند. کانال نوری همیشه یک طرفه کار می کند، از منبع (LED) تا سنسور. سنسورها، چه مقاومت نوری، فتودیود یا ترانزیستور نوری باشند، نمی توانند نور ساطع کنند. [نکته 11] اما LED ها، مانند همه دیودهای نیمه هادی، [نکته 12] قادر به تشخیص نور ورودی هستند، که امکان ساخت یک جداساز نوری دو طرفه را از یک جفت LED فراهم می کند. ساده‌ترین عایق نوری دوطرفه فقط یک جفت LED است که رو به رو قرار می‌گیرند و با لوله‌های انقباض حرارتی در کنار هم قرار می‌گیرند. در صورت لزوم، فاصله بین دو LED را می توان با درج فیبر شیشه ای افزایش داد . [48]

ال‌ای‌دی‌های طیف مرئی راندمان انتقال نسبتاً ضعیفی دارند، بنابراین GaAs طیف مادون قرمز نزدیک ، GaAs:Si و AlGaAs:Si LED‌های انتخابی ارجح برای دستگاه‌های دو جهته هستند. جداسازهای نوری دو جهته ساخته شده در اطراف جفت‌های GaAs:Si LED دارای نسبت انتقال جریان در حدود 0.06٪ در حالت فتوولتائیک یا فوتورسانا هستند - کمتر از جداکننده‌های مبتنی بر فوتودیود، [49] اما برای کاربردهای دنیای واقعی به اندازه کافی کاربردی هستند. [48]

انواع تنظیمات [ ویرایش ]

این مقاله برای تأیید نیاز به نقل قول های اضافی دارد . لطفاً با افزودن نقل قول به منابع معتبر به بهبود این مقاله کمک کنید . اطلاعات بدون مرجع ممکن است مشکل ایجاد کرده و پاک شوند. یافتن منابع: "Opto-Isolator" - اخبار · روزنامه ها · کتاب ها · محقق · JSTOR
( دسامبر 2019 ) ( با نحوه و زمان حذف این پیام الگو آشنا شوید )

معمولاً اپتوکوپلرها دارای پیکربندی جفت بسته هستند. این پیکربندی به کوپلرهای نوری محصور در یک محفظه تاریک اشاره دارد که در آن منبع و حسگر روبروی یکدیگر قرار دارند.

برخی از کوپلرهای نوری دارای پیکربندی کوپلر/وقفه شکافدار هستند. این پیکربندی به کوپلرهای نوری با شکاف باز بین منبع و سنسور اشاره دارد که توانایی تأثیرگذاری بر سیگنال های دریافتی را دارد. پیکربندی کوپلر/وقفه شکافدار برای تشخیص اشیا، تشخیص لرزش و سوئیچینگ بدون جهش مناسب است.

برخی از کوپلرهای نوری دارای پیکربندی جفت بازتابی هستند. این پیکربندی به کوپلرهای نوری اشاره دارد که حاوی منبعی است که نور ساطع می‌کند و سنسوری که نور را فقط زمانی تشخیص می‌دهد که از یک شی منعکس شده باشد. پیکربندی جفت بازتابی برای توسعه سرعت سنج ها، آشکارسازهای حرکت و مانیتورهای بازتاب مناسب است.

دو پیکربندی بعدی اغلب به عنوان "حسگرهای نوری" نامیده می شوند.

همچنین ببینید [ ویرایش ]

جداسازی گالوانیکی

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Opto-isolator

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:16 توسط علی رضا نقش |

اتصال نوری

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

این مقاله دارای مشکلات متعددی است. لطفاً به بهبود آن کمک کنید یا درباره این مسائل در صفحه بحث بحث کنید. ( با نحوه و زمان حذف این پیام های الگو آشنا شوید )

این مقاله بیش از حد بر ارجاعات به منابع اولیه متکی است . ( آوریل 2009 )

این مقاله برای تأیید نیاز به نقل قول های اضافی دارد . ( مارس 2019 )

این مقاله در مورد اتصالات نوری در مدارهای مجتمع است. برای کاربردهای دیگر، ارتباط فیبر نوری و کابل فیبر نوری را ببینید.

در مدارهای مجتمع ، اتصالات نوری به هر سیستم انتقال سیگنال از یک قسمت از یک مدار مجتمع به قسمت دیگر با استفاده از نور اطلاق می شود. اتصالات نوری به دلیل تأخیر زیاد و مصرف انرژی متحمل شده توسط اتصالات فلزی متداول در انتقال سیگنال های الکتریکی در فواصل طولانی، مانند اتصالات داخلی طبقه بندی شده به عنوان اتصالات جهانی ، موضوع مطالعه بوده است. نقشه راه فناوری بین المللی برای نیمه هادی ها (ITRS) مقیاس بندی اتصالات را به عنوان یک مشکل برای صنعت نیمه هادی ها برجسته کرده است.

در اتصالات الکتریکی، سیگنال‌های غیرخطی (مثلا سیگنال‌های دیجیتال) به‌طور معمول توسط سیم‌های مسی منتقل می‌شوند، و این سیم‌های الکتریکی همگی دارای مقاومت و ظرفیت هستند که زمان افزایش سیگنال‌ها را زمانی که ابعاد سیم‌ها کاهش می‌یابد، به شدت محدود می‌کند. راه حل های نوری برای انتقال سیگنال ها در فواصل طولانی برای جایگزینی اتصال بین قالب ها در بسته مدار مجتمع (IC) استفاده می شود.

به منظور کنترل صحیح سیگنال های نوری داخل بسته آی سی کوچک، می توان از فناوری سیستم میکروالکترومکانیکی (MEMS) برای ادغام اجزای نوری (مانند موجبرهای نوری ، فیبرهای نوری ، لنزها ، آینه ها ، محرک های نوری، حسگرهای نوری و غیره) و ... استفاده کرد. قطعات الکترونیکی با هم به طور موثر

مشکلات اتصال فعلی در بسته [ ویرایش ]

سیم‌های فلزی فیزیکی معمولی هم مقاومت و هم ظرفیت دارند و زمان افزایش سیگنال‌ها را محدود می‌کنند. وقتی فرکانس سیگنال به یک سطح معین افزایش یابد، بیت‌های اطلاعات با یکدیگر همپوشانی دارند. [1]

مزایای استفاده از اتصال نوری [ ویرایش ]

اتصالات نوری می توانند مزایایی نسبت به سیم های فلزی معمولی داشته باشند که عبارتند از: [1]

زمان قابل پیش بینی تر
کاهش قدرت و مساحت توزیع ساعت
استقلال فاصله عملکرد اتصالات نوری
بدون گفتگوی متقابل وابسته به فرکانس
مزیت های معماری
کاهش اتلاف برق در اتصالات داخلی
جداسازی ولتاژ
تراکم اتصالات متقابل
کاهش لایه های سیم کشی
تراشه ها را می توان در یک مجموعه تست نوری غیر تماسی آزمایش کرد
مزایای پالس های نوری کوتاه

چالش‌های اتصال نوری [ ویرایش ]

با این حال، هنوز چالش‌های فنی زیادی در پیاده‌سازی اتصالات نوری متراکم به تراشه‌های CMOS سیلیکونی وجود دارد. این چالش ها به شرح زیر است: [2]

مدارهای گیرنده و ادغام کم ظرفیت آشکارسازهای نور
بهبود تکاملی در دستگاه‌های الکترونیک نوری
عدم وجود فناوری عملی اپتومکانیکی مناسب
فن آوری های یکپارچه سازی
کنترل پلاریزاسیون
وابستگی به دما و تغییرات فرآیند
ضرر و خطا
آزمایش پذیری
بسته بندی

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_interconnect

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:13 توسط علی رضا نقش |

ارتباط نوری

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

یک لامپ سیگنال دریایی ، شکلی از ارتباط نوری که از شاتر استفاده می کند و معمولاً با کد مورس استفاده می شود (2002)

ارتباطات نوری که به عنوان مخابرات نوری نیز شناخته می‌شود، ارتباطی است که از فاصله دور با استفاده از نور برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کند. می توان آن را به صورت بصری یا با استفاده از وسایل الکترونیکی انجام داد. قدیمی ترین اشکال اولیه ارتباطات نوری به چندین هزار سال قبل برمی گردد، در حالی که اولین وسیله الکتریکی که برای انجام این کار ساخته شد فوتوفن بود که در سال 1880 اختراع شد.

یک سیستم ارتباط نوری از فرستنده ای استفاده می کند که پیام را به سیگنال نوری رمزگذاری می کند ، کانالی که سیگنال را به مقصد می رساند و گیرنده ای که پیام را از سیگنال نوری دریافتی بازتولید می کند. وقتی از تجهیزات الکترونیکی استفاده نمی‌شود، �گیرنده� فردی است که به صورت بصری سیگنالی را مشاهده و تفسیر می‌کند، که ممکن است ساده (مانند وجود آتش فانوس ) یا پیچیده باشد (مانند چراغ‌هایی که از کدهای رنگی استفاده می‌کنند یا با کد مورس چشمک می‌زنند. توالی).

ارتباطات مدرن متکی به سیستم های شبکه نوری با استفاده از فیبر نوری ، تقویت کننده های نوری ، لیزرها ، سوئیچ ها، روترها و سایر فناوری های مرتبط است. ارتباطات نوری فضای آزاد از لیزر برای انتقال سیگنال ها در فضا استفاده می کند، در حالی که اشکال زمینی به طور طبیعی توسط جغرافیا و آب و هوا محدود می شوند. این مقاله مقدمه ای اساسی برای اشکال مختلف ارتباط نوری ارائه می دهد.

فرم های بصری [ ویرایش ]

تکنیک های بصری مانند سیگنال های دود ، آتش فانوس ، تلگراف هیدرولیک ، پرچم کشتی و خطوط سمافور اولین اشکال ارتباط نوری بودند. [1] [2] [3] [4] قدمت سمافورهای تلگراف هیدرولیک به قرن 4 قبل از میلاد یونان برمی گردد. دریانوردان در مواقع اضطراری هنوز از شراره های پریشانی استفاده می کنند، در حالی که از فانوس های دریایی و چراغ های ناوبری برای برقراری ارتباط با خطرات ناوبری استفاده می شود.

هلیوگراف از یک آینه برای انعکاس نور خورشید به ناظر دور استفاده می کند. [5] هنگامی که یک سیگنال‌دهنده آینه را کج می‌کند تا نور خورشید را منعکس کند، ناظر دور جرقه‌هایی از نور را می‌بیند که می‌تواند برای انتقال یک کد سیگنال از پیش تنظیم شده استفاده شود. کشتی های نیروی دریایی اغلب از لامپ های سیگنال و کد مورس به روشی مشابه استفاده می کنند.

خلبانان هواپیما اغلب برای فرود ایمن، به ویژه در شب، از سیستم های نوری پیش بینی شده نشانگر شیب رویکرد بصری (VASI) استفاده می کنند. هواپیماهای نظامی که بر روی ناو هواپیمابر فرود می آیند از سیستم مشابهی برای فرود صحیح بر روی عرشه ناو هواپیمابر استفاده می کنند. سیستم نور رنگی ارتفاع هواپیما را نسبت به یک شیب استاندارد فرود ارتباط می دهد . همچنین، برج‌های کنترل فرودگاه همچنان از لامپ‌های آلدیس برای ارسال دستورالعمل‌ها به هواپیماهایی که رادیوهایشان از کار افتاده است استفاده می‌کنند.

خط سمافور [ ویرایش ]

مقاله اصلی: خط سمافور

ماکت یکی از برج‌های سمافور چاپه ( قرن 18).

� تلگراف سمافور� که � خط سمافور �، �تلگراف نوری�، �زنجیره تلگراف شاتر�، �تلگراف چپ� یا �سمافور ناپلئونی� نیز نامیده می‌شود، سیستمی است که برای انتقال اطلاعات با استفاده از سیگنال‌های بصری استفاده می‌شود. برج هایی با بازوهای چرخان یا دریچه هایی که به عنوان تیغه یا پارو نیز شناخته می شوند. اطلاعات توسط موقعیت عناصر مکانیکی کدگذاری می شود. هنگامی که شاتر در یک موقعیت ثابت قرار دارد خوانده می شود. [2] [6]

خطوط سمافور پیشروی تلگراف الکتریکی بودند. آنها برای انتقال پیام در فواصل طولانی بسیار سریعتر از پست سواران بودند ، اما بسیار گرانتر و خصوصی کمتر از خطوط تلگراف الکتریکی بودند که بعداً جایگزین آنها شدند. حداکثر فاصله‌ای که یک جفت ایستگاه تلگراف سمافور می‌توانند از آن عبور کنند، توسط جغرافیا، آب و هوا و در دسترس بودن نور محدود می‌شود. بنابراین، در استفاده عملی، بیشتر تلگراف های نوری از خطوط ایستگاه های رله برای پل زدن مسافت های طولانی تر استفاده می کردند. هر ایستگاه رله همچنین به مکملی از اپراتور-ناظرهای ماهر نیاز دارد تا پیام ها را از طریق خط به عقب و جلو منتقل کنند.

طراحی مدرن سمافورها برای اولین بار توسط رابرت هوک (Robert Hooke ) دانشمند بریتانیایی پیش‌بینی شد ، که برای اولین بار در سال 1684 طرح کلی تلگراف بصری را در ارسالی به انجمن سلطنتی ارائه کرد . پیشنهاد او (که به دلیل نگرانی های نظامی پس از نبرد وین در سال قبل انجام شد) در طول زندگی او عملی نشد. [7] [8]

اولین خط سمافور نوری عملیاتی در سال 1792 وارد شد که توسط مهندس فرانسوی کلود شاپ و برادرانش ایجاد شد که موفق شدند فرانسه را با شبکه ای از 556 ایستگاه به مسافت 4800 کیلومتر (3000 مایل) پوشش دهند. تا دهه 1850 برای ارتباطات نظامی و ملی استفاده می شد.

بسیاری از خدمات ملی سیستم های سیگنالینگ متفاوت از سیستم Chappe را اتخاذ کردند. برای مثال، بریتانیا و سوئد سیستم‌های پانل‌های کرکره‌ای را به کار گرفتند (در تضاد با ادعای برادران چاپه که میله‌های زاویه‌دار بیشتر قابل مشاهده هستند). در اسپانیا ، مهندس آگوستین دو بتانکور سیستم خود را توسعه داد که توسط آن ایالت پذیرفته شد. این سیستم توسط بسیاری از کارشناسان در اروپا بهتر از Chappe حتی در فرانسه مورد توجه قرار گرفت.

این سیستم ها در اواخر قرن 18 تا اوایل قرن 19 رایج بودند، اما نمی توانستند با تلگراف الکتریکی رقابت کنند و تا سال 1880 به طور کامل از کار افتادند .

پرچم های سیگنال سمافور [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سمافور پرچم

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:12 توسط علی رضا نقش |

ارتباط نوری

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

یک لامپ سیگنال دریایی ، شکلی از ارتباط نوری که از شاتر استفاده می کند و معمولاً با کد مورس استفاده می شود (2002)

یک سیستم ارتباط نوری از فرستنده ای استفاده می کند که پیام را به سیگنال نوری رمزگذاری می کند ، کانالی که سیگنال را به مقصد می رساند و گیرنده ای که پیام را از سیگنال نوری دریافتی بازتولید می کند. وقتی از تجهیزات الکترونیکی استفاده نمی‌شود، «گیرنده» فردی است که به صورت بصری سیگنالی را مشاهده و تفسیر می‌کند، که ممکن است ساده (مانند وجود آتش فانوس ) یا پیچیده باشد (مانند چراغ‌هایی که از کدهای رنگی استفاده می‌کنند یا با کد مورس چشمک می‌زنند. توالی).

فرم های بصری [ ویرایش ]

خط سمافور [ ویرایش ]

مقاله اصلی: خط سمافور

ماکت یکی از برج‌های سمافور چاپه ( قرن 18).

« تلگراف سمافور» که « خط سمافور »، «تلگراف نوری»، «زنجیره تلگراف شاتر»، «تلگراف چپ» یا «سمافور ناپلئونی» نیز نامیده می‌شود، سیستمی است که برای انتقال اطلاعات با استفاده از سیگنال‌های بصری استفاده می‌شود. برج هایی با بازوهای چرخان یا دریچه هایی که به عنوان تیغه یا پارو نیز شناخته می شوند. اطلاعات توسط موقعیت عناصر مکانیکی کدگذاری می شود. هنگامی که شاتر در یک موقعیت ثابت قرار دارد خوانده می شود. [2] [6]

پرچم های سیگنال سمافور [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سمافور پرچم

یک سیگنال دهنده دریایی که پیامی را توسط سمافور پرچم ارسال می کند (2002).

پرچم‌های سمافور سیستمی برای انتقال اطلاعات از راه دور با استفاده از سیگنال‌های بصری با پرچم‌های دستی، میله‌ها، دیسک‌ها، پاروها یا گاهی اوقات دست‌های برهنه یا دستکش هستند. اطلاعات با موقعیت پرچم ها، اشیاء یا بازوها کدگذاری می شود. هنگامی که آنها در یک موقعیت ثابت هستند خوانده می شود.

سمافورها (با پرچم های دستی که جایگزین بازوهای مکانیکی سمافورهای کرکره ای شدند) در دنیای دریایی در قرن نوزدهم مورد استفاده قرار گرفتند و به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. آنها هنوز هم در هنگام تکمیل مجدد در دریا استفاده می شوند و برای ارتباطات اضطراری در نور روز یا با استفاده از عصای روشن به جای پرچم، در شب قابل قبول هستند.

سیستم سمافور پرچم جدیدتر از دو قطب کوتاه با پرچم‌های مربعی استفاده می‌کند که علامت‌دهنده آن‌ها را در موقعیت‌های مختلف نگه می‌دارد تا حروف الفبا و اعداد را منتقل کند. فرستنده یک قطب را در هر دست نگه می دارد و هر بازو را در یکی از هشت جهت ممکن دراز می کند. به جز در حالت استراحت، پرچم ها نمی توانند همپوشانی داشته باشند. رنگ‌های پرچم‌ها بر اساس اینکه سیگنال‌ها از طریق دریا یا زمین ارسال می‌شوند، متفاوت است. در دریا، پرچم‌ها قرمز و زرد ( پرچم‌های اسکار ) هستند، در حالی که در خشکی، سفید و آبی هستند ( پرچم‌های پاپا ). پرچم لازم نیست، آنها فقط شخصیت ها را واضح تر می کنند.

لامپ های سیگنال [ ویرایش ]

مقالات اصلی: چراغ سیگنال و سیگنال های نور هوانوردی

یک کنترل کننده ترافیک هوایی که یک تفنگ نور سیگنال را در دست دارد که می تواند برای هدایت هواپیماهایی که دچار نقص رادیویی شده اند استفاده شود (2007).

لامپ های سیگنال (مانند لامپ های Aldis)، دستگاه های سیگنال دهی بصری برای ارتباطات نوری هستند (معمولاً از کد مورس استفاده می کنند). لامپ های سیگنال مدرن یک لامپ متمرکز هستند که می توانند پالس نور تولید کنند. در نسخه‌های بزرگ، این پالس با باز و بسته کردن دریچه‌های نصب شده در جلوی لامپ، یا از طریق یک سوئیچ فشار دستی یا، در نسخه‌های بعدی، به صورت خودکار به دست می‌آید.

با لامپ های دستی، یک آینه مقعر توسط یک ماشه کج می شود تا نور را به پالس متمرکز کند. لامپ‌ها معمولاً به نوعی دید نوری مجهز هستند و معمولاً روی کشتی‌های نیروی دریایی مستقر می‌شوند و همچنین در برج‌های کنترل فرودگاه با سیگنال‌های نور هوایی کدگذاری شده استفاده می‌شوند .

سیگنال های نوری هوانوردی در مورد خرابی رادیو ، هواپیمایی که به رادیو مجهز نیست یا در مورد خلبانی با مشکل شنوایی استفاده می شود. کنترل‌کننده‌های ترافیک هوایی مدت‌هاست که از تفنگ‌های نوری برای هدایت چنین هواپیماهایی استفاده می‌کنند. لامپ تفنگ نور دارای یک پرتو روشن متمرکز است که می تواند سه رنگ مختلف قرمز، سفید و سبز را ساطع کند. این رنگ‌ها ممکن است چشمک زن یا ثابت باشند و دستورالعمل‌های متفاوتی را به هواپیما در حال پرواز یا روی زمین ارائه می‌دهند (به عنوان مثال، "پاکسازی برای فرود" یا "پاکسازی برای برخاستن"). خلبان‌ها می‌توانند با تکان دادن بال‌های هواپیما، حرکت دادن بال‌های هواپیما در صورت قرار گرفتن روی زمین، یا با چشمک زدن چراغ‌های فرود یا ناوبری ، دستورالعمل‌ها را بپذیرند.در طول شب تنها 12 دستورالعمل ساده استاندارد شده به هواپیماها با استفاده از تفنگ های نوری هدایت می شوند زیرا این سیستم با کد مورس استفاده نمی شود .

هلیوگراف [ ویرایش ]

هلیوگراف : استرالیایی ها از هلیوگراف در شمال آفریقا استفاده می کنند (1940).

نوشتار اصلی: هلیوگراف

هلیوگراف ( به یونانی : Ἥλιος helios ، به معنای «خورشید»، و γραφειν graphein ، به معنای «نوشتن») یک تلگراف خورشیدی بی‌سیم است که توسط فلاش‌های نور خورشید (به طور کلی با استفاده از کد مورس ) که توسط آینه منعکس می‌شود، سیگنال می‌دهد . فلاش ها با چرخاندن لحظه ای آینه یا قطع شدن پرتو با یک شاتر تولید می شوند.

هلیوگراف در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم ابزاری ساده اما مؤثر برای ارتباطات نوری آنی در فواصل طولانی بود. کاربرد اصلی آن در امور نظامی، بررسی و حفاظت از جنگل بود. آنها تا دهه 1960 در ارتش های بریتانیا و استرالیا استاندارد بودند و در اواخر سال 1975 توسط ارتش پاکستان مورد استفاده قرار گرفتند. [5]

فرم های الکترونیکی [ ویرایش ]

امروزه انواع سیستم های الکترونیکی اطلاعاتی را که توسط پالس های نور منتقل می شوند را به صورت نوری ارسال و دریافت می کنند. کابل های ارتباطی فیبر نوری برای انتقال داده های الکترونیکی و ترافیک تلفن استفاده می شود. ارتباطات نوری فضای آزاد نیز هر روز در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

فیبر نوری [ ویرایش ]

مقاله اصلی: ارتباطات فیبر نوری

فیبر نوری رایج ترین نوع کانال برای ارتباطات نوری است. فرستنده ها در پیوندهای فیبر نوری معمولاً دیودهای ساطع کننده نور (LED) یا دیودهای لیزری هستند. نور مادون قرمز بیشتر از نور مرئی استفاده می شود ، زیرا فیبرهای نوری طول موج های مادون قرمز را با تضعیف و پراکندگی کمتر منتقل می کنند . رمزگذاری سیگنال معمولاً مدولاسیون شدت ساده است ، اگرچه مدولاسیون فاز نوری و فرکانس تاریخی در آزمایشگاه نشان داده شده است. نیاز به بازسازی دوره‌ای سیگنال با معرفی آن تا حد زیادی جایگزین شدتقویت کننده فیبر دوپ شده با اربیوم ، که فواصل پیوند را با هزینه بسیار کمتر افزایش می دهد. معرفی تجاری مالتی پلکسی با تقسیم طول موج متراکم (WDM) در سال 1996 توسط Ciena Corp شروع واقعی شبکه های نوری بود. [9] [10] WDM اکنون پایه رایج تقریباً هر سیستم نوری با ظرفیت بالا در جهان است [11]

اولین سیستم های ارتباطی نوری توسط Optelecom, Inc.، [12] که توسط گوردون گولد، مخترع تقویت کننده نوری [13] و لیزر بنیانگذاری شد ، طراحی و به ارتش ایالات متحده و شورون تحویل داده شد . [14]

فوتوفن [ ویرایش ]

مقاله اصلی: فوتوفون

فوتوفن (که در ابتدا نام دیگری به نام رادیوفون داده می شد ) یک وسیله ارتباطی است که امکان انتقال گفتار را در یک پرتو نور فراهم می کند. این به طور مشترک توسط الکساندر گراهام بل و دستیارش چارلز سامنر تینتر در 19 فوریه 1880 در آزمایشگاه خیابان بل در سال 1325 در واشنگتن دی سی اختراع شد [15] [16] هر دو بعداً در انجمن آزمایشگاهی ولتا شریک کامل شدند. ، ایجاد و تامین مالی شده توسط بل.

در 21 ژوئن 1880، دستیار بل یک پیام تلفنی صوتی بی سیم را در فاصله قابل توجهی از پشت بام مدرسه فرانکلین تا پنجره آزمایشگاه بل، در فاصله 213 متری (حدود 700 فوت) مخابره کرد. [17] [18] [19] [20]

بل معتقد بود که فوتوفن مهمترین اختراع اوست . از 18 اختراع ثبت شده تنها به نام بل و 12 موردی که او با همکارانش به اشتراک گذاشته بود، چهار مورد مربوط به فتوفن بود که بل از آن به عنوان "بزرگترین دستاورد" خود یاد کرد و کمی قبل از مرگش به خبرنگاری گفت که فتوفن "بزرگترین" است. اختراعی که [من] ساخته ام، بزرگتر از تلفن . » [21]

فوتوفن پیشروی سیستم های ارتباطی فیبر نوری بود که از دهه 1980 به استفاده عمومی در سراسر جهان دست یافت. [22] [23] [24] حق اختراع اصلی برای فوتوفن ( اختراع ایالات متحده 235,199 دستگاه سیگنالینگ و ارتباط، به نام Photophone )، در دسامبر 1880 صادر شد، [19] چندین دهه قبل از اینکه اصول آن کاربردهای عملی داشته باشد.

ارتباطات نوری فضای آزاد [ ویرایش ]

مقالات اصلی: ارتباطات نوری فضای آزاد و ارتباطات بی سیم نوری

سیستم‌های اپتیک فضای آزاد (FSO) برای مخابرات « آخرین مایل » به کار می‌روند و می‌توانند در فواصل چند کیلومتری تا زمانی که یک خط دید واضح بین مبدا و مقصد وجود داشته باشد، کار کنند و گیرنده نوری می‌تواند به‌طور قابل‌اطمینانی پیام ارسال‌شده را رمزگشایی کند. اطلاعات [25] سایر سیستم‌های فضای آزاد می‌توانند با استفاده از زیرسیستم‌های کوچک، کم جرم و کم مصرف، پیوندهایی با سرعت داده بالا و برد بلند ارائه دهند که آنها را برای ارتباطات در فضا مناسب می‌سازد. [26] مجموعه‌های ماهواره‌ای برنامه‌ریزی‌شده مختلفی که برای ارائه پوشش پهنای باند جهانی در نظر گرفته شده‌اند، از این مزایا استفاده می‌کنند و از ارتباطات لیزری استفاده می‌کنند.برای پیوندهای بین ماهواره ای بین چند صد تا هزار ماهواره که به طور موثر یک شبکه مش نوری مبتنی بر فضا ایجاد می کند .

به طور کلی تر، انتقال سیگنال های نوری هدایت نشده به عنوان ارتباطات بی سیم نوری (OWC) شناخته می شود. به عنوان مثال می توان به ارتباطات نور مرئی با برد متوسط و IrDA در مسافت کوتاه ، با استفاده از LED های مادون قرمز اشاره کرد.

همچنین ببینید [ ویرایش ]

در ویکی‌انبار رسانه‌های مرتبط با ارتباطات نوری موجود است .

ضربه زدن به فیبر
تنگنای اتصال
Jun-Ichi Nishizawa مخترع ارتباطات نوری.
بازتابنده تعدیل کننده
OECC (کنفرانس اپتو الکترونیک و ارتباطات)
اتصال نوری
اپتو ایزولاتور
رابط نوری موازی

منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_communication

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:5 توسط علی رضا نقش |

اپتوالکترونیک

اپتوالکترونیک (یا اپترونیک ) مطالعه و کاربرد دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی است که نور را پیدا، تشخیص و کنترل می‌کنند، که معمولاً زیر شاخه‌ای از فوتونیک در نظر گرفته می‌شود . در این زمینه، نور اغلب شامل اشکال نامرئی تابش مانند پرتوهای گاما ، اشعه ایکس ، فرابنفش و مادون قرمز ، علاوه بر نور مرئی است. دستگاه‌های الکترونیک نوری مبدل‌های الکتریکی به نوری یا نوری به الکتریکی یا ابزارهایی هستند که از چنین دستگاه‌هایی در عملکرد خود استفاده می‌کنند. [1]

الکترواپتیک اغلب به اشتباه به عنوان مترادف استفاده می شود، اما شاخه وسیع تری از فیزیک است که به همه برهمکنش های بین میدان های نور و الکتریکی مربوط می شود ، چه بخشی از یک دستگاه الکترونیکی باشند یا نه.

اپتوالکترونیک مبتنی بر اثرات مکانیکی کوانتومی نور بر روی مواد الکترونیکی، به ویژه نیمه هادی ها ، گاهی اوقات در حضور میدان های الکتریکی است . [2]

اثر فوتوالکتریک یا فتوولتائیک ، مورد استفاده در:
رسانایی نوری ، مورد استفاده در:
انتشار تحریک شده، مورد استفاده در:
- دیودهای لیزر تزریقی
- لیزرهای آبشاری کوانتومی
اثر Lossev، یا نوترکیبی تشعشعی ، مورد استفاده در:
- دیودهای ساطع نور یا LED
- OLED ها
تابش نوری ، مورد استفاده در
- لوله دوربین نور تابشی

کاربردهای مهم [3] اپتوالکترونیک عبارتند از:

همچنین ببینید [ ویرایش ]

تنگنای اتصال
صفحه نمایش کریستال مایع
طول عمر غیر تشعشعی
OECC (کنفرانس اپتو الکترونیک و ارتباطات)
تقویت کننده نوری
ارتباط نوری
فیبر نوری
اتصال نوری
نوسانگر نوری الکترونیکی
رابط نوری موازی
انتشار عکس
طیف سنجی انتشار نوری
اثر فتوولتائیک
انتشار تحریک شده
الکترونیک

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Optoelectronics

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 22:1 توسط علی رضا نقش |

رسوب لیزر پالسی

ستونی که از یک هدف SrRuO 3 در طی رسوب لیزر پالسی پرتاب می شود.

یکی از پیکربندی های احتمالی یک محفظه رسوب PLD.

رسوب لیزر پالسی ( PLD ) یک روش رسوب بخار فیزیکی (PVD) است که در آن یک پرتو لیزر پالسی پرقدرت در داخل یک محفظه خلاء متمرکز می شود تا به هدفی از ماده ای که قرار است رسوب شود، ضربه بزند. این ماده از هدف تبخیر می شود (در یک ستون پلاسما) که آن را به عنوان یک لایه نازک روی یک بستر (مانند ویفر سیلیکونی رو به هدف) رسوب می دهد. این فرآیند می‌تواند در خلاء فوق‌العاده بالا یا در حضور یک گاز پس‌زمینه، مانند اکسیژن که معمولاً هنگام رسوب اکسیدها برای اکسیژن‌رسانی کامل به لایه‌های رسوب‌شده استفاده می‌شود، رخ دهد.

در حالی که تنظیمات اولیه نسبت به بسیاری از تکنیک‌های رسوب‌گذاری ساده است، پدیده‌های فیزیکی تعامل لیزر-هدف و رشد فیلم بسیار پیچیده هستند ( فرایند زیر را ببینید). هنگامی که پالس لیزر توسط هدف جذب می شود، انرژی ابتدا به تحریک الکترونیکی و سپس به انرژی حرارتی، شیمیایی و مکانیکی تبدیل می شود که منجر به تبخیر، فرسایش ، تشکیل پلاسما و حتی لایه برداری می شود. [1] گونه های پرتاب شده به خلاء اطراف به شکل یک ستون حاوی بسیاری از گونه های پرانرژی از جمله اتم ها ، مولکول ها ، الکترون ها ، یون ها منبسط می شوند.، خوشه ها، ذرات و گلبول های مذاب، قبل از رسوب بر روی بستر معمولی داغ.

فرآیند [ ویرایش ]

مکانیسم‌های دقیق PLD بسیار پیچیده هستند، از جمله فرآیند فرسایش ماده هدف توسط تابش لیزر ، ایجاد یک ستون پلاسما با یون‌های پر انرژی، الکترون‌ها و همچنین خنثی‌ها و رشد کریستالی خود فیلم بر روی بستر گرم شده. فرآیند PLD به طور کلی به چهار مرحله تقسیم می شود:

جذب لیزر روی سطح هدف و فرسایش لیزری ماده مورد نظر و ایجاد پلاسما
دینامیک پلاسما
رسوب مواد فرسایشی بر روی بستر
هسته و رشد فیلم بر روی سطح بستر

هر یک از این مراحل برای بلورینگی، یکنواختی و استوکیومتری فیلم حاصل بسیار مهم است. پرکاربردترین روشها برای مدلسازی فرآیند PLD، تکنیکهای مونت کارلو است . [2]

لایه های نازک اکسیدها با دقت لایه اتمی با استفاده از رسوب لیزر پالسی رسوب می کنند. در این تصویر، یک لیزر پالسی با شدت بالا به یک دیسک سفید چرخان از Al 2 O 3 (آلومینا) شلیک می کند. پالس لیزر یک انفجار پلاسما ایجاد می کند که به صورت ابر بنفش قابل مشاهده است. ابر پلاسما از آلومینا به سمت بستر مربعی ساخته شده از SrTiO 3 منبسط می شود ، جایی که متراکم و جامد می شود و هر بار یک لایه اتمی ایجاد می کند. این زیرلایه بر روی یک صفحه حرارتی نصب می شود که در دمای 650 درجه سانتیگراد قرمز می درخشد تا کریستالی بودن لایه نازک آلومینا را بهبود بخشد.

فرسایش لیزری ماده مورد نظر و ایجاد پلاسما [ ویرایش ]

فرسایش مواد هدف بر اثر تابش لیزر و ایجاد پلاسما فرآیندهای بسیار پیچیده ای هستند. حذف اتم ها از مواد حجیم با تبخیر توده در ناحیه سطح در حالت عدم تعادل انجام می شود. در این حالت پالس لیزر فرودی به سطح ماده در عمق نفوذ نفوذ می کند. این بعد به طول موج لیزر و شاخص شکست ماده مورد نظر در طول موج لیزر اعمال شده بستگی دارد و معمولاً برای اکثر مواد در منطقه 10 نانومتر است. میدان الکتریکی قوی ایجاد شده توسط نور لیزر به اندازه کافی قوی است تا الکترون ها را از مواد حجیم حجم نفوذ حذف کند. این فرآیند در 10 ps از یک پالس لیزر ns رخ می دهد و ناشی از فرآیندهای غیر خطی مانند یونیزاسیون چند فوتونی است که توسط ترک های میکروسکوپی در سطح، حفره ها و گره ها افزایش می یابد که باعث افزایش میدان الکتریکی می شود. الکترون‌های آزاد در میدان الکترومغناطیسی نور لیزر نوسان می‌کنند و می‌توانند با اتم‌های ماده حجیم برخورد کنند و در نتیجه بخشی از انرژی خود را به شبکه مواد هدف در ناحیه سطح منتقل کنند. سپس سطح هدف گرم می شود و مواد تبخیر می شوند.

دینامیک پلاسما [ ویرایش ]

در مرحله دوم، مواد در پلاسما به موازات بردار معمولی سطح هدف به سمت زیرلایه به دلیل دفع کولن و پس زدن از سطح هدف منبسط می شوند. توزیع فضایی ستون به فشار زمینه در داخل محفظه PLD بستگی دارد. چگالی ستون را می توان با یک قانون cosn ( x ) با شکلی شبیه به منحنی گاوس توصیف کرد. وابستگی شکل ستون به فشار را می توان در سه مرحله توصیف کرد:

مرحله خلاء، که در آن ستون بسیار باریک و به سمت جلو هدایت می شود. تقریباً هیچ پراکندگی با گازهای پس زمینه رخ نمی دهد.
منطقه میانی که در آن تقسیم یون های پرانرژی از گونه های کم انرژی را می توان مشاهده کرد. داده های زمان پرواز (TOF) را می توان به مدل موج ضربه ای برازش داد. با این حال، مدل های دیگر نیز می تواند امکان پذیر باشد.
منطقه ای با فشار بالا که در آن انبساط بیشتری شبیه به انتشار مواد فرسوده پیدا می کنیم. طبیعتاً این پراکندگی به جرم گاز زمینه نیز وابسته است و می‌تواند بر استوکیومتری فیلم رسوب‌شده تأثیر بگذارد.

مهمترین پیامد افزایش فشار زمینه، کند شدن گونه های پرانرژی در توده پلاسما در حال گسترش است. نشان داده شده است که ذرات با انرژی جنبشی در حدود 50 eV می‌توانند فیلمی را که قبلاً روی بستر رسوب کرده‌اند بازتاب دهند. این منجر به نرخ رسوب کمتر می شود و علاوه بر این می تواند منجر به تغییر در استوکیومتری فیلم شود.

رسوب مواد فرسایشی روی بستر [ ویرایش ]

مرحله سوم برای تعیین کیفیت فیلم های رسوب داده شده مهم است. گونه‌های پرانرژی که از هدف جدا شده‌اند، سطح زیرلایه را بمباران می‌کنند و ممکن است با پاشیدن اتم‌ها از سطح و همچنین با ایجاد نقص در فیلم رسوب‌شده، به سطح آسیب وارد کنند. [3] گونه های پراکنده شده از بستر و ذرات ساطع شده از هدف، ناحیه برخورد را تشکیل می دهند که به عنوان منبعی برای تراکم ذرات عمل می کند. هنگامی که نرخ تراکم به اندازه کافی بالا باشد، می توان به تعادل حرارتی رسید و فیلم بر روی سطح زیرلایه به هزینه جریان مستقیم ذرات فرسایشی و تعادل حرارتی به دست آمده رشد می کند.

هسته و رشد فیلم بر روی سطح بستر [ ویرایش ]

فرآیند هسته‌زایی و سینتیک رشد فیلم به چندین پارامتر رشد بستگی دارد از جمله:

پارامترهای لیزر - عوامل متعددی مانند شار لیزر [ژول/cm2 ] ، انرژی لیزر و درجه یونیزاسیون ماده فرسوده بر کیفیت فیلم، استوکیومتری [ 4] و شار رسوب تاثیر می‌گذارد. به طور کلی، چگالی هسته با افزایش شار رسوب افزایش می یابد.
دمای سطح - دمای سطح تأثیر زیادی بر تراکم هسته دارد. به طور کلی، چگالی هسته با افزایش دما کاهش می یابد. [5] گرم کردن سطح می تواند شامل یک صفحه گرم کننده یا استفاده از لیزر CO2 باشد . [6]
سطح زیرلایه - هسته و رشد می تواند تحت تأثیر آماده سازی سطح (مانند اچ شیمیایی [7] )، برش نادرست بستر و همچنین زبری بستر قرار گیرد.
فشار پس زمینه – در رسوب اکسید رایج، یک پس زمینه اکسیژن برای اطمینان از انتقال استوکیومتری از هدف به فیلم مورد نیاز است. به عنوان مثال، اگر پس زمینه اکسیژن خیلی کم باشد، فیلم از استوکیومتری رشد می کند که بر چگالی هسته و کیفیت فیلم تأثیر می گذارد. [8]

در PLD، یک فوق اشباع بزرگ در طول مدت پالس روی بستر رخ می دهد. بسته به پارامترهای لیزر، پالس حدود 10 تا 40 میکروثانیه طول می‌کشد [9] . این فوق اشباع بالا در مقایسه با اپیتاکسی پرتو مولکولی یا رسوب کندوپاش ، باعث چگالی هسته‌زایی بسیار بزرگی در سطح می‌شود . این چگالی هسته باعث افزایش صافی لایه رسوب شده می شود.

در PLD، [بسته به پارامترهای رسوب بالا] سه حالت رشد ممکن است:

رشد پله‌ای - همه بسترها دارای یک برش نادرست مرتبط با کریستال هستند. این برش های نادرست باعث ایجاد مراحل اتمی در سطح می شود. در رشد پله‌ای، اتم‌ها روی سطح فرود می‌آیند و قبل از اینکه فرصتی برای هسته‌زایی جزیره‌ای سطحی داشته باشند، به یک لبه پله‌ای منتشر می‌شوند. سطح در حال رشد به عنوان پله هایی در نظر گرفته می شود که در سراسر سطح حرکت می کنند. این حالت رشد با رسوب بر روی یک بستر نادرست بالا، یا رسوب در دماهای بالا به دست می آید [10]
رشد لایه به لایه - در این حالت رشد، جزایر بر روی سطح هسته می‌شوند تا زمانی که تراکم جزیره‌ای بحرانی به دست آید. با اضافه شدن مواد بیشتر، جزایر به رشد خود ادامه می دهند تا زمانی که جزایر شروع به برخورد با یکدیگر کنند. این به عنوان ادغام شناخته می شود. پس از رسیدن به ادغام، سطح دارای چگالی زیادی از گودال است. هنگامی که مواد اضافی به سطح اضافه می شود، اتم ها در این حفره ها پخش می شوند تا لایه را کامل کنند. این فرآیند برای هر لایه بعدی تکرار می شود.
رشد سه بعدی - این حالت شبیه به رشد لایه به لایه است، با این تفاوت که پس از تشکیل یک جزیره، یک جزیره اضافی در بالای جزیره اول هسته می گیرد. بنابراین، رشد به صورت لایه به لایه ادامه نمی یابد و هر بار که مواد اضافه می شود، سطح زبر می شود.

تاریخچه [ ویرایش ]

این بخش شامل فهرستی از مراجع ، خواندن مرتبط یا پیوندهای خارجی است، اما منابع آن نامشخص است زیرا فاقد استنادهای درون خطی است. لطفا با معرفی نقل قول های دقیق تر به بهبود این بخش کمک کنید. ( می 2016 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید )

رسوب لیزر پالسی تنها یکی از بسیاری از تکنیک های رسوب لایه نازک است. روش های دیگر عبارتند از اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، رسوب شیمیایی بخار (CVD)، رسوب پاششی .(RF، مگنترون و پرتو یونی). تاریخچه رشد فیلم به کمک لیزر بلافاصله پس از تحقق فنی اولین لیزر در سال 1960 توسط میمن آغاز شد. اسمیت و ترنر در سال 1965، سه سال پس از مطالعه تبخیر لیزری و برانگیختن اتم‌ها از سطوح جامد، از لیزر یاقوتی برای رسوب اولین لایه‌های نازک استفاده کردند. با این حال، فیلم‌های رسوب‌شده هنوز نسبت به آنهایی که با روش‌های دیگر مانند رسوب بخار شیمیایی و اپیتاکسی پرتو مولکولی به‌دست می‌آیند، پایین‌تر بودند. در اوایل دهه 1980، چند گروه تحقیقاتی (عمدتاً در اتحاد جماهیر شوروی سابق) به نتایج قابل توجهی در زمینه ساخت ساختارهای لایه نازک با استفاده از فناوری لیزر دست یافتند. پیشرفت در سال 1987 زمانی که D. Dijkkamp، Xindi Wu و T. Venkatesan توانستند یک لایه نازک از YBa 2 Cu 3 O را با لیزر رسوب دهند، رخ داد.7 ، یک ماده ابررسانا با درجه حرارت بالا، که کیفیتی بالاتر از فیلم‌های رسوب‌شده با تکنیک‌های جایگزین داشت. از آن زمان، تکنیک رسوب لیزر پالسی برای ساخت فیلم‌های کریستالی با کیفیت بالا، مانند لایه‌های نازک گارنت دوپ شده برای استفاده به عنوان لیزرهای موجبر مسطح استفاده شده است. [11] [12] رسوب اکسیدهای سرامیکی، [13] فیلم های نیترید، [14] فیلم های فرومغناطیسی، [15] چند لایه فلزی [16] [17]و ابرشبکه های مختلف نشان داده شده است. در دهه 1990، توسعه فناوری لیزر جدید، مانند لیزرهایی با سرعت تکرار بالا و مدت زمان پالس کوتاه، PLD را به ابزاری بسیار رقابتی برای رشد فیلم‌های نازک و کاملاً مشخص با استوکیومتری پیچیده تبدیل کرد.

جنبه های فنی [ ویرایش ]

ترتیبات مختلفی برای ساختن یک محفظه رسوب برای PLD وجود دارد. ماده مورد نظر که توسط لیزر تبخیر می شود معمولاً به صورت یک دیسک چرخان متصل به یک تکیه گاه یافت می شود. با این حال، می توان آن را به یک میله استوانه ای با حرکت چرخشی و حرکت انتقالی بالا و پایین در امتداد محور خود تف جوشی کرد. این پیکربندی ویژه نه تنها امکان استفاده از یک پالس گاز راکتیو همگام، بلکه از یک میله هدف چند جزئی را نیز امکان پذیر می کند که با آن می توان فیلم هایی از چند لایه مختلف ایجاد کرد.

برخی از عوامل موثر بر نرخ رسوب:

مواد هدف
انرژی پالس لیزر
میزان تکرار لیزر [18]
دمای بستر [19]
فاصله از هدف تا بستر
نوع گاز و فشار در محفظه (اکسیژن، آرگون و غیره) [20]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsed_laser_deposition

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:3 توسط علی رضا نقش |

هربرت کرومر

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

هربرت کرومر
هربرت کرومر در سال 2008
بدنیا آمدن	25 اوت 1928 (94 سالگی) وایمار ، آلمان
ملیت	آلمان ایالات متحده آمریکا
آلما مادر	دانشگاه ینا دانشگاه گوتینگن
شناخته شده برای	ترانزیستور میدان رانش ترانزیستور دو قطبی لیزری دو ساختار ناهمگون
جوایز	جایزه JJ Ebers (1973) جایزه تحقیقات Humboldt (1994) جایزه نوبل فیزیک (2000) مدال افتخار IEEE [1] (2002)
حرفه علمی
زمینه های	مهندسی برق ، فیزیک کاربردی
موسسات	Fernmeldetechnisches Zentralamt RCA Laboratories Varian Associates دانشگاه کلرادو دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا
پایان نامه	Zur Theorie des Germaniumgleichrichters und des Transistors : Ausz. Mit 10 Fig. im Text (1953)
مشاور دکتری	فریتز ساتر
تأثیر می گذارد	فردریش هوند فریتز هوترمنس

هربرت کرومر ( تلفظ آلمانی: [ˈhɛʁbɛʁt ˈkʁøːmɐ] ( گوش دادن ) ؛ زاده ۲۵ اوت ۱۹۲۸) یک فیزیکدان آلمانی-آمریکایی است که به همراه ژورس آلفروف جایزه نوبل فیزیک را در سال 2014 در سال 2014 دریافت کرد. سرعت و الکترونیک نوری». کرومر استاد بازنشسته مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا است که دکترای خود را دریافت کرده است. در فیزیک نظری در سال 1952 از دانشگاه گوتینگن ، آلمان، با پایان نامه ای در مورد اثرات الکترون داغ در آن زمان جدید ترانزیستور . [2] تحقیقات او در مورد ترانزیستورها یک پله برای توسعه بعدی فناوری های تلفن همراه بود.

شغل [ ویرایش ]

کرومر در تعدادی از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در آلمان و ایالات متحده کار کرد و از سال 1968 تا 1976 در دانشگاه کلرادو به تدریس مهندسی برق پرداخت. جریان اصلی تکنولوژی سیلیکون او همراه با چارلز کیتل ، کتاب درسی فیزیک حرارتی را که برای اولین بار در سال 1980 منتشر شد، تالیف کرد و تا به امروز همچنان مورد استفاده قرار می گیرد. او همچنین نویسنده کتاب درسی مکانیک کوانتومی برای مهندسی، علوم مواد و فیزیک کاربردی است. [3]

کرومر در سال 1997 به‌عنوان عضو آکادمی ملی مهندسی برای طراحی ترانزیستور و لیزر ناهم‌رسانای نیمه‌رسانا و رهبری در فناوری مواد نیمه‌رسانا انتخاب شد. او همچنین در سال 2003 به عضویت آکادمی ملی علوم انتخاب شد.

کرومر همیشه ترجیح می داد بر روی مشکلاتی که جلوتر از تکنولوژی جریان اصلی هستند کار کند، ترانزیستور رانش را در دهه 1950 اختراع کرد و اولین کسی بود که به این نکته اشاره کرد که می توان مزایایی را در دستگاه های نیمه هادی مختلف با استفاده از اتصالات ناهمگون به دست آورد . مهم‌تر از همه، در سال 1963، او مفهوم لیزر ناهم‌ساختار دوگانه را پیشنهاد کرد ، که اکنون یک مفهوم اصلی در زمینه لیزرهای نیمه‌رسانا است. کرومر به یک پیشگام اولیه در اپیتاکسی پرتو مولکولی تبدیل شد و بر استفاده از این فناوری برای مواد جدید آزمایش نشده تمرکز کرد.

زندگی شخصی [ ویرایش ]

کرومر که در خانواده‌ای از طبقه کارگر در وایمار به دنیا آمد، در مدرسه فیزیک خود عالی بود، به طوری که او را از انجام بسیاری از دروس محروم کردند. [4] او یک آتئیست است. [5]

جوایز و افتخارات [ ویرایش ]

جایزه جی جی ایبرز (1973)
جایزه پژوهشی هومبولت (1994)
جایزه نوبل فیزیک (2000)
جایزه لوح طلایی آکادمی دستاوردهای آمریکا (2001) [6]
مدال افتخار IEEE (2002) [7]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

فهرست برندگان جایزه نوبل وابسته به دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Herbert_Kroemer

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 21:2 توسط علی رضا نقش |

اپیتاکسی فاز بخار متالارگانیک

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

(برگرفته از اپیتاکسی فاز بخار متالارگانیک )

تصویری از روند

اپیتاکسی فاز بخار متالارگانیک ( MOVPE )، همچنین به عنوان اپیتاکسی فاز بخار آلی فلزی ( OMVPE ) یا رسوب بخار شیمیایی متالارگانیک ( MOCVD )، [1] یک روش رسوب بخار شیمیایی است که برای تولید لایه های نازک تک یا چند بلوری استفاده می شود. این فرآیندی برای رشد لایه های کریستالی برای ایجاد ساختارهای چند لایه نیمه هادی پیچیده است. [2] بر خلاف اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، رشد کریستال ها از طریق واکنش شیمیایی است و نه رسوب فیزیکی. این اتفاق می افتد نه در خلاء ، بلکه ازفاز گاز در فشارهای متوسط (10 تا 760 تور ). به این ترتیب، این تکنیک برای تشکیل دستگاه‌هایی که دارای آلیاژهای متاپایدار ترمودینامیکی هستند، ترجیح داده می‌شود، [ نیازمند منبع ] و به یک فرآیند اصلی در ساخت اپتوالکترونیک ، مانند دیودهای ساطع نور تبدیل شده است. این در سال 1968 در مرکز علمی هوانوردی آمریکای شمالی (بعداً راکول بین المللی ) توسط هارولد ام. مناسویت اختراع شد.

اصول اولیه [ ویرایش ]

در MOCVD گازهای پیش ساز فوق خالص به یک راکتور تزریق می شوند، معمولاً با یک گاز حامل غیر واکنشی. برای نیمه هادی III-V، یک متال آلی می تواند به عنوان پیش ساز گروه III و یک هیدرید برای پیش ساز گروه V استفاده شود. به عنوان مثال، ایندیم فسفید را می توان با پیش سازهای تری متیلندیم ((CH 3 ) 3 In) و فسفین (PH 3 ) رشد داد.

همانطور که پیش سازها به ویفر نیمه هادی نزدیک می شوند، تحت پیرولیز قرار می گیرند و زیرگونه ها روی سطح ویفر نیمه هادی جذب می شوند. واکنش سطحی زیرگونه های پیش ساز منجر به ادغام عناصر در یک لایه اپیتاکسیال جدید از شبکه کریستالی نیمه هادی می شود. در رژیم رشد محدود با حمل و نقل انبوه که در آن راکتورهای MOCVD به طور معمول کار می کنند، رشد توسط فوق اشباع گونه های شیمیایی در فاز بخار هدایت می شود. [3] MOCVD می تواند فیلم های حاوی ترکیبی از گروه III و گروه V ، گروه II و گروه VI ، گروه IV را رشد دهد.

دمای تجزیه در اثر حرارت مورد نیاز با افزایش استحکام پیوند شیمیایی پیش ساز افزایش می یابد. هر چه اتم های کربن بیشتری به اتم فلز مرکزی متصل شوند، پیوند ضعیف تر است. [4] انتشار اتم ها در سطح بستر تحت تأثیر مراحل اتمی روی سطح است.

فشار بخار منبع آلی فلزی گروه III یک پارامتر کنترل مهم برای رشد MOCVD است، زیرا نرخ رشد را در رژیم محدود حمل و نقل انبوه تعیین می کند. [5]

اجزای راکتور [ ویرایش ]

دستگاه MOCVD

در روش رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی (MOCVD)، گازهای واکنش دهنده در دماهای بالا در راکتور ترکیب می شوند تا برهمکنش شیمیایی ایجاد کنند و در نتیجه مواد بر روی بستر رسوب کنند.

راکتور محفظه ای ساخته شده از ماده ای است که با مواد شیمیایی مورد استفاده واکنش نشان نمی دهد. همچنین باید در برابر دمای بالا مقاومت کند. این محفظه از دیوارهای راکتور، آستر، یک گیرنده ، واحدهای تزریق گاز و واحدهای کنترل دما تشکیل شده است. معمولاً دیواره های راکتور از فولاد ضد زنگ یا کوارتز ساخته می شوند. شیشه های سرامیکی یا مخصوص مانند کوارتز، اغلب به عنوان پوشش در محفظه راکتور بین دیواره راکتور و گیرنده استفاده می شود. برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، آب خنک کننده باید از طریق کانال های داخل دیواره های راکتور جریان داشته باشد. یک بستر روی یک گیره که در دمای کنترل شده قرار دارد می نشیند . سوسپتور از ماده ای مقاوم در برابر دما و ترکیبات متالارگانیک استفاده شده ساخته شده است، اغلب از ماشین کاری می شود.گرافیت . برای رشد نیتریدها و مواد مرتبط، یک پوشش ویژه، معمولاً از نیترید سیلیکون یا کاربید تانتالم ، روی گیره گرافیت برای جلوگیری از خوردگی توسط گاز آمونیاک (NH 3 ) ضروری است.

یکی از انواع راکتورهایی که برای انجام MOCVD استفاده می شود، راکتور دیوار سرد است. در یک راکتور دیوار سرد، زیرلایه توسط یک پایه پشتیبانی می شود که به عنوان یک گیرنده نیز عمل می کند. پایه / گیرنده منشا اولیه انرژی گرمایی در محفظه واکنش است. فقط سوسپتور گرم می شود، بنابراین گازها قبل از رسیدن به سطح ویفر داغ واکنش نشان نمی دهند. پایه/گیرنده از مواد جاذب تشعشع مانند کربن ساخته شده است. در مقابل، دیواره های محفظه واکنش در یک راکتور دیوار سرد معمولاً از کوارتز ساخته شده است که تا حد زیادی در برابر تابش الکترومغناطیسی شفاف است.. دیوارهای محفظه واکنش در یک راکتور دیوار سرد، با این حال، ممکن است به طور غیرمستقیم توسط گرمای تابش شده از پایه/گیرنده داغ گرم شوند، اما سردتر از پایه/گیرنده و بستری که پایه/گیرنده از آن پشتیبانی می‌کند، باقی می‌مانند.

در CVD دیوار داغ، کل محفظه گرم می شود. ممکن است لازم باشد که برخی از گازها قبل از رسیدن به سطح ویفر از قبل ترک شوند تا به ویفر بچسبند.

سیستم ورودی و سوئیچینگ گاز [ ویرایش ]

گاز از طریق دستگاه‌هایی به نام «حباب‌ساز» معرفی می‌شود. در یک حباب‌ساز، یک گاز حامل (معمولاً هیدروژن در رشد آرسنید و فسفید یا نیتروژن برای رشد نیترید) از طریق مایع متالارگانیک حباب می‌شود ، که مقداری بخار فلز آلی را می‌گیرد و به راکتور منتقل می‌کند. مقدار بخار متالارگانیک منتقل شده به سرعت جریان گاز حامل و دمای حباب بستگی دارد و معمولاً با استفاده از یک سیستم کنترل گاز فیدبک اندازه گیری غلظت اولتراسونیک به طور خودکار و دقیق ترین کنترل می شود. باید برای بخارات اشباع در نظر گرفته شود .

سیستم نگهداری فشار [ ویرایش ]

سیستم اگزوز و تمیز کردن گاز . محصولات زائد سمی باید برای بازیافت (ترجیحا) یا دفع به زباله های مایع یا جامد تبدیل شوند. در حالت ایده آل، فرآیندهایی برای به حداقل رساندن تولید ضایعات طراحی خواهند شد.

پیش سازهای آلی فلزی [ ویرایش ]

آلومینیوم
- تری متیل آلومینیوم (TMA یا TMAl)، مایع
- تری اتیل آلومینیوم (TEA یا TEAl)، مایع
گالیوم
- تری متیل گالیوم (TMG یا TMGa)، مایع
- تری اتیل گالیوم (TEG یا TEGa) ، مایع
ایندیوم
- تری متیلندیم (TMI یا TMIN)، جامد
- تری اتیلندیم (TEI یا TEIn)، مایع
- دی ایزوپروپیل متیلندیم (DIPMeIn) ، مایع
- اتیل دی متیلندیم (EDMIN) ، مایع
ژرمانیوم
- ایزوبوتیل ژرمن (IBGe) ، مایع
- دی متیل آمینو ژرمانیوم تری کلرید (DiMAGeC)، مایع
- تترا متیل ژرمن (TMGe) ، مایع
- تترااتیل ژرمانیوم (TEGe)، مایع
- Germane GeH 4 ، گاز
نیتروژن
- فنیل هیدرازین ، مایع
- دی متیل هیدرازین (DMHy)، مایع
- ترشیاری بوتیلامین (TBAm)، مایع
- آمونیاک NH 3 ، گاز
فسفر
- فسفین PH 3 ، گاز
- ترشیاری بوتیل فسفین (TBP) ، مایع
- بیس فسفینو اتان (BPE)، مایع
آرسنیک
- Arsine AsH 3 , Gas
- ترشیاری بوتیل آرسین (TBAs)، مایع
- مونو اتیل آرسین (MEAs)، مایع
- تری متیل آرسین (TMAs)، مایع
آنتیموان
- تری متیل آنتیموان (TMSb)، مایع
- تری اتیل آنتیموان (TESb)، مایع
- آنتیموان تری ایزوپروپیل (TIPSb)، مایع
- Stibine SbH 3 ، گاز
کادمیوم
- دی متیل کادمیوم (DMCd) ، مایع
- دی اتیل کادمیوم (DECd)، مایع
- متیل آلیل کادمیوم (MACd)، مایع
تلوریم
- دی متیل تلورید (DMTe)، مایع
- دی اتیل تلوراید (DETe)، مایع
- دی ایزوپروپیل تلورید (DIPTe) ، مایع
تیتانیوم
- آلکوکسیدها مانند ایزوپروپوکسید تیتانیوم یا اتوکسید تیتانیوم
سلنیوم
- دی متیل سلنید (DMSe) ، مایع
- دی اتیل سلنید (DESe)، مایع
- دی ایزوپروپیل سلنید (DIPSe)، مایع
- دی ترت بوتیل سلنید (DTBSe)، مایع
فلز روی
- دی متیل روی (DMZ)، مایع
- دی اتیل روی (DEZ)، مایع

نیمه هادی های رشد یافته توسط MOCVD [ ویرایش ]

نیمه هادی های III-V [ ویرایش ]

نیمه هادی های II-VI [ ویرایش ]

نیمه هادی های چهارم [ ویرایش ]

نیمه هادی های IV-V-VI [ ویرایش ]

GeSbTe

محیط زیست، بهداشت و ایمنی [ ویرایش ]

از آنجایی که MOCVD به فناوری تولید به خوبی تثبیت شده است، نگرانی‌های مرتبط با تأثیر آن بر ایمنی پرسنل و جامعه، تأثیرات زیست‌محیطی و حداکثر مقادیر مجاز مواد خطرناک (مانند گازها و فلزات آلی) در عملیات ساخت دستگاه وجود دارد. ایمنی و همچنین مراقبت های محیطی مسئولانه به عوامل اصلی مهم در رشد کریستال های نیمه هادی های ترکیبی مبتنی بر MOCVD تبدیل شده اند. با رشد استفاده از این تکنیک در صنعت، تعدادی از شرکت ها نیز در طول سال ها رشد و تکامل یافته اند تا تجهیزات جانبی مورد نیاز برای کاهش ریسک را فراهم کنند. این تجهیزات شامل اما نه محدود به سیستم‌های تحویل خودکار گاز و مواد شیمیایی کامپیوتری، حسگرهای سمی و گازهای حامل است که می‌توانند مقادیر تک رقمی ppb گاز را تشخیص دهند.[6]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منابع

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:59 توسط علی رضا نقش |

سی پیتر فلین

سی پیتر فلین (زاده ۱۸ اوت ۱۹۳۵ – درگذشته ۲۷ اکتبر ۲۰۱۱) استاد فیزیک و علم مواد در دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شامپین بود. [1] [2]

پروفسور فلین از سال 1960 تا 2011 در هیئت علمی دانشگاه ایلینویز بود و از سال 1978 تا 1987 به عنوان مدیر آزمایشگاه تحقیقات مواد فردریک سیتز خدمت کرد. او عضو انجمن فیزیک آمریکا و انجمن فلزات آمریکا بود . بین سال‌های 1985 تا 2005 رئیس بخش شورای انرژی در مواد بود.

او پیشگام تکنیک اپیتاکسی پرتو مولکولی ، روشی برای رشد جامدات کریستالی از لایه‌های عناصر انتخاب شده بود. او همچنین به ساخت یکی از اولین میکروسکوپ های الکترونی کم انرژی در ایالات متحده کمک کرد. [3]

فلین در 18 اوت 1935 در استاکتون-آن-تیس ، یک شهر کوچک بازاری در شمال یورکشایر، انگلستان به دنیا آمد. یک پرستار محلی زمان جنگ پیتر یک بورس تحصیلی کامل برای دانشگاه لیدز دریافت کرد و در آنجا لیسانس و دکترای خود را دریافت کرد. در فیزیک در سال 1960. او پس از آن موفق به کسب مدرک کارشناسی ارشد (Hon.) در فیزیک از دانشگاه کمبریج شد. در سال 1960، پیتر به ایالات متحده نقل مکان کرد تا در بخش فیزیک دانشگاه ایلینویز در اوربانا-شامپین در پست دکترا قرار بگیرد و تا می 2011 در آنجا کار کرد.

منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/Colin_P._Flynn

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:57 توسط علی رضا نقش |

آرتور گوسارد

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

آرتور سی گوسارد استاد مواد و مهندسی برق در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا بود. در سال 1982، او اثر هال کوانتومی کسری را کشف کرد . [1] تحقیقات او مربوط به اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) است. او دارای دکترای فیزیک از دانشگاه کالیفرنیا برکلی است. بعد از دانشگاه به آزمایشگاه بل پیوست.

در سال 1987، او به دلیل مشارکت در مطالعه فیزیک لایه های نیمه هادی بسیار نازک از طریق اپیتاکسی پرتو مولکولی، که منجر به ایجاد فیزیک جدید و دستگاه های جدید شد، به عضویت آکادمی ملی مهندسی ایالات متحده انتخاب شد. او همچنین عضو آکادمی ملی علوم ایالات متحده بود .

گوسارد در سال 2016 به عنوان دریافت کننده مدال ملی فناوری و نوآوری معرفی شد. [2] او در 26 ژوئن 2022 درگذشت.

منبع

https://www.blogfa.com/Desktop/Post.aspx?action=new&r=7285873633068037&t=640310086

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:55 توسط علی رضا نقش |

ترانزیستور با تحرک الکترونی بالا

"HEMT" به اینجا هدایت می شود. برای کامیون نظامی، کامیون تاکتیکی تحرک سنگین را ببینید .

مقطع pHEMT GaAs/AlGaAs/InGaAs

نمودار نواری HEMT مبتنی بر ناهمگونی GaAs/AlGaAs ، در حالت تعادل.

یک ترانزیستور با تحرک الکترونی بالا (HEMT) که به نام‌های FET ناهم‌ساختار (HFET) یا FET با مدولاسیون ( MODFET) نیز شناخته می‌شود ، یک ترانزیستور اثر میدانی است که اتصالی بین دو ماده با شکاف‌های باند متفاوت (یعنی یک اتصال ناهمگون ) دارد. کانال به جای یک منطقه دوپ شده (همانطور که معمولاً برای ماسفت وجود دارد). یک ترکیب مواد متداول مورد استفاده GaAs با AlGaAs است، اگرچه تنوع زیادی وجود دارد، بسته به کاربرد دستگاه. دستگاه هایی که از ایندیوم بیشتر استفاده می کنندبه طور کلی عملکرد فرکانس بالا بهتری را نشان می‌دهند، در حالی که در سال‌های اخیر، HEMT‌های نیترید گالیوم به دلیل عملکرد با توان بالا توجه را به خود جلب کرده‌اند. مانند سایر FET ها ، HEMT ها در مدارهای مجتمع به عنوان کلیدهای روشن و خاموش دیجیتال استفاده می شوند. FET ها همچنین می توانند به عنوان تقویت کننده برای مقادیر زیاد جریان با استفاده از یک ولتاژ کوچک به عنوان سیگنال کنترل استفاده شوند. هر دوی این کاربردها با ویژگی های منحصر به فرد جریان-ولتاژ FET امکان پذیر شده است . ترانزیستورهای HEMT قادرند در فرکانس‌های بالاتر نسبت به ترانزیستورهای معمولی، تا فرکانس‌های موج میلی‌متری کار کنند و در محصولات با فرکانس بالا مانند تلفن‌های همراه ، گیرنده‌های تلویزیون ماهواره‌ای ،مبدل های ولتاژ و تجهیزات رادار . آنها به طور گسترده در گیرنده های ماهواره ای، در تقویت کننده های کم توان و در صنایع دفاعی استفاده می شوند.

مزایا [ ویرایش ]

مزایای HEMT ها این است که بهره بالایی دارند و این باعث می شود به عنوان تقویت کننده مفید باشند. سرعت های سوئیچینگ بالا، که به این دلیل حاصل می شود که حامل های شارژ اصلی در MODFET ها حامل های اکثریت هستند و حامل های اقلیت به طور قابل توجهی درگیر نیستند. و مقادیر بسیار کم نویز زیرا تغییرات جریان در این دستگاه ها نسبت به سایر دستگاه ها کم است.

تاریخچه [ ویرایش ]

اختراع ترانزیستور با تحرک الکترون بالا (HEMT) معمولاً به فیزیکدان تاکاشی میمورا (三村高志) نسبت داده می شود، در حالی که در فوجیتسو در ژاپن کار می کرد. [1] اساس HEMT GaAs (آرسنید گالیم) MOSFET (ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی فلز-اکسید) بود که میمورا از سال 1977 به عنوان جایگزینی برای MOSFET سیلیکونی استاندارد (Si) تحقیق کرده بود. HEMT در بهار 1979، زمانی که او در مورد یک ابرشبکه ناهمگون دوپینگ مدوله‌شده در آزمایشگاه‌های بل در ایالات متحده، [1] توسط Ray Dingle، Arthur Gossard و Horst Störmer مطالعه کرد.ثبت اختراع در آوریل 1978. [2] میمورا در آگوست 1979 برای یک HEMT یک افشای اختراع ثبت کرد و سپس در همان سال یک حق اختراع ثبت کرد. [3] اولین نمایش یک دستگاه HEMT، D-HEMT، توسط میمورا و ساتوشی هیامیزو در می 1980 ارائه شد و سپس آنها بعداً اولین E-HEMT را در آگوست 1980 نشان دادند .

به طور مستقل، Daniel Delagebeaudeuf و Tranc Linh Nuyen، در حالی که در Thomson-CSF در فرانسه کار می کردند، حق اختراعی را برای نوع مشابهی از ترانزیستورهای اثر میدانی در مارس 1979 به ثبت رساندند. همچنین از پتنت Bell Labs به عنوان تأثیرگذار یاد می کند. [4] اولین نمایش HEMT "معکوس" توسط Delagebeaudeuf و Nuyen در اوت 1980 ارائه شد.

یکی از اولین موارد ذکر شده در مورد HEMT مبتنی بر GaN در مقاله نامه های فیزیک کاربردی در سال 1993 توسط Khan و همکاران است. [5] بعدها، در سال 2004، PD Ye و B. Yang و همکاران یک GaN (نیترید گالیوم) فلز-اکسید-نیمه هادی HEMT (MOS-HEMT) را نشان دادند. از فیلم اکسید آلومینیوم ( Al2O3 ) رسوب لایه اتمی ( ALD) هم به عنوان دی الکتریک دروازه و هم برای غیرفعال سازی سطح استفاده می کرد. [6]

تحلیل مفهومی [ ویرایش ]

HEMT ها ناهمگونی هستند . این بدان معنی است که نیمه هادی های مورد استفاده دارای شکاف های باند متفاوت هستند . به عنوان مثال، سیلیکون دارای یک شکاف باند 1.1 الکترون ولت (eV) است، در حالی که ژرمانیوم دارای یک شکاف نواری 0.67 eV است. هنگامی که یک پیوند ناهمگون تشکیل می شود، نوار هدایت و نوار ظرفیت در سراسر ماده باید خم شود تا یک سطح پیوسته تشکیل شود.

تحرک استثنایی حامل های HEMT و سرعت سوئیچینگ از شرایط زیر ناشی می شود: عنصر باند پهن با اتم های اهدا کننده دوپ شده است. بنابراین الکترون های اضافی در نوار رسانایی خود دارد. این الکترون ها به دلیل در دسترس بودن حالت هایی با انرژی کمتر، به نوار رسانایی مواد باند باریک مجاور پخش می شوند. حرکت الکترون ها باعث تغییر پتانسیل و در نتیجه میدان الکتریکی بین مواد می شود. میدان الکتریکی الکترون‌ها را به باند رسانایی عنصر باند پهن برمی‌گرداند. فرآیند انتشار تا زمانی ادامه می‌یابد که انتشار الکترون و رانش الکترون یکدیگر را متعادل می‌کنند و پیوندی در تعادل ایجاد می‌کنند که شبیه به اتصال p-n است.. توجه داشته باشید که مواد شکاف باند باریک بدون دوغاب در حال حاضر دارای حامل‌های بار عمده هستند. این واقعیت که حامل‌های بار اکثریت حامل‌ها هستند، سرعت سوئیچینگ بالایی را ایجاد می‌کند، و این واقعیت که نیمه‌رسانای شکاف باند کم بدون اتصال است به این معنی است که هیچ اتم دهنده‌ای وجود ندارد که باعث پراکندگی شود و در نتیجه تحرک بالایی ایجاد می‌کند.

یکی از جنبه های مهم HEMT ها این است که ناپیوستگی های باند در سراسر نوارهای هدایت و ظرفیت را می توان به طور جداگانه تغییر داد. این اجازه می دهد تا نوع حامل های داخل و خارج از دستگاه کنترل شود. از آنجایی که HEMT ها به الکترون ها نیاز دارند تا حامل های اصلی باشند، می توان یک دوپینگ درجه بندی شده را در یکی از مواد اعمال کرد، بنابراین ناپیوستگی باند هدایت را کوچکتر می کند و ناپیوستگی باند ظرفیت را یکسان نگه می دارد. این انتشار حامل ها منجر به تجمع الکترون ها در امتداد مرز دو منطقه در داخل ماده شکاف نواری باریک می شود. تجمع الکترون ها منجر به جریان بسیار بالایی در این دستگاه ها می شود. الکترون های انباشته شده به عنوان گاز الکترونی 2DEG یا دو بعدی نیز شناخته می شوند .

اصطلاح " دوپینگ مدولاسیون " به این واقعیت اشاره دارد که مواد ناخالص از نظر مکانی در ناحیه ای متفاوت از الکترون های حامل جریان هستند. این تکنیک توسط هورست استورمر در آزمایشگاه بل ابداع شد .

توضیح [ ویرایش ]

برای اجازه دادن به هدایت، نیمه هادی ها با ناخالصی هایی که الکترون های متحرک یا حفره ها را اهدا می کنند، دوپ می شوند . با این حال، سرعت این الکترون‌ها از طریق برخورد با ناخالصی‌ها (ناخالصی‌ها) که در وهله اول برای تولید آنها استفاده می‌شوند، کند می‌شوند. HEMT ها از طریق استفاده از الکترون های با تحرک بالا که با استفاده از اتصال ناهمگون یک لایه تامین کننده باند پهن بسیار دوپ شده از نوع n (AlGaAs در مثال ما) و یک لایه کانال باند باند باریک بدون دوپ شده بدون ناخالصی های ناخالصی (GaAs) از این امر جلوگیری می کنند. در این مورد).

الکترون های تولید شده در لایه نازک نوع n AlGaAs به طور کامل به لایه GaAs می افتند تا یک لایه AlGaAs تخلیه شده را تشکیل دهند، زیرا پیوند ناهمگون ایجاد شده توسط مواد مختلف شکاف نواری یک چاه کوانتومی (یک دره شیب دار) را در نوار رسانایی روی GaAs تشکیل می دهد. سمتی که الکترون‌ها می‌توانند به سرعت بدون برخورد با ناخالصی‌ها حرکت کنند، زیرا لایه GaAs جدا نشده است و نمی‌توانند از آن فرار کنند. اثر این کار ایجاد یک لایه بسیار نازک از الکترون‌های رسانای بسیار متحرک با غلظت بسیار بالا است که به کانال مقاومت بسیار کمی می‌دهد (یا به عبارت دیگر، «تحرک الکترون بالا»).

مکانیزم الکترواستاتیک [ ویرایش ]

مقاله اصلی: Heterjonction

از آنجایی که GaAs میل الکترونی بالاتری دارد ، الکترون‌های آزاد در لایه AlGaAs به لایه GaAs اصلاح نشده منتقل می‌شوند، جایی که آنها یک گاز الکترونی با تحرک بالا دو بعدی را در 100 اونگستروم (10 نانومتر ) از سطح مشترک تشکیل می‌دهند. لایه AlGaAs نوع n از HEMT به طور کامل از طریق دو مکانیسم تخلیه تخلیه می شود:

به دام افتادن الکترون های آزاد توسط حالت های سطحی باعث تخلیه سطح می شود.
انتقال الکترون‌ها به لایه GaAs بدون لایه‌ای باعث کاهش سطح مشترک می‌شود.

سطح فرمی فلز دروازه با نقطه سنجاق که 1.2 eV زیر نوار هدایت است مطابقت دارد. با کاهش ضخامت لایه AlGaAs، الکترون های ارائه شده توسط اهداکنندگان در لایه AlGaAs برای پین کردن لایه کافی نیست. در نتیجه، خمش نوار به سمت بالا حرکت می کند و گاز الکترون های دو بعدی ظاهر نمی شود. هنگامی که یک ولتاژ مثبت بیشتر از ولتاژ آستانه به گیت اعمال می شود، الکترون ها در سطح مشترک جمع می شوند و یک گاز الکترونی دو بعدی را تشکیل می دهند.

ساخت [ ویرایش ]

MODFET ها را می توان با رشد اپیتاکسیال یک لایه SiGe تولید کرد. در لایه کرنش شده، محتوای ژرمانیوم به طور خطی به حدود 40-50٪ افزایش می یابد. این غلظت ژرمانیوم امکان تشکیل یک ساختار چاه کوانتومی با افست نوار رسانایی بالا و چگالی بالا از حامل های بار بسیار متحرک را می دهد. نتیجه نهایی یک FET با سرعت سوئیچینگ فوق العاده بالا و نویز کم است. InGaAs / AlGaAs ، AlGaN / InGaNو ترکیبات دیگری نیز به جای SiGe استفاده می شود. InP و GaN شروع به جایگزینی SiGe به عنوان ماده پایه در MODFET ها کرده اند زیرا نویز و نسبت توان بهتری دارند.

نسخه های HEMT [ ویرایش ]

با فناوری رشد: pHEMT و mHEMT [ ویرایش ]

در حالت ایده‌آل، دو ماده مختلف مورد استفاده برای یک اتصال ناهمگون دارای ثابت شبکه (فاصله بین اتم‌ها) هستند. در عمل، ثابت های شبکه معمولاً کمی متفاوت هستند (به عنوان مثال AlGaAs روی GaAs)، که منجر به نقص کریستالی می شود. به عنوان یک قیاس، تصور کنید که دو شانه پلاستیکی را با فاصله کمی متفاوت به هم فشار دهید. در فواصل زمانی معین، دو دندان را خواهید دید که به هم چسبیده اند. در نیمه هادی ها، این ناپیوستگی ها تله های سطح عمیق را تشکیل می دهند و عملکرد دستگاه را تا حد زیادی کاهش می دهند.

HEMT که در آن این قانون نقض می شود، pHEMT یا HEMT شبه شکل نامیده می شود . این امر با استفاده از یک لایه بسیار نازک از یکی از مواد به دست می آید - آنقدر نازک که شبکه کریستالی به سادگی کشیده می شود تا با مواد دیگر سازگار شود. این تکنیک به ساخت ترانزیستورهایی با اختلاف باند بزرگتر نسبت به موارد دیگر اجازه می دهد و عملکرد بهتری به آنها می دهد. [7]

راه دیگر برای استفاده از مواد با ثابت های شبکه مختلف، قرار دادن یک لایه بافر بین آنهاست. این کار در mHEMT یا HEMT دگرگونی انجام می شود که پیشرفتی از pHEMT است. لایه بافر از AlInAs ساخته شده است ، با غلظت ایندیم درجه بندی شده به طوری که بتواند با ثابت شبکه هر دو بستر GaAs و کانال GaInAs مطابقت داشته باشد. این مزیت را به ارمغان می‌آورد که عملاً هر غلظت ایندیم در کانال قابل تحقق است، بنابراین دستگاه‌ها را می‌توان برای کاربردهای مختلف بهینه کرد (غلظت کم ایندیم نویز کم را ایجاد می‌کند ؛ غلظت بالای ایندیم بهره بالایی می‌دهد ). [ نیازمند منبع ]

بر اساس رفتار الکتریکی: eHEMT و dHEMT [ ویرایش ]

HEMT های ساخته شده از واسط های ناهمسان نیمه هادی فاقد بار قطبی خالص سطحی، مانند AlGaAs/GaAs، به ولتاژ گیت مثبت یا دوپینگ مناسب در سد AlGaAs نیاز دارند تا الکترون ها را به سمت دروازه جذب کنند، که گاز الکترونی دوبعدی را تشکیل می دهد و هدایت آن را امکان پذیر می کند. جریان های الکترونی این رفتار شبیه ترانزیستورهای اثر میدانی است که معمولاً در حالت بهبود استفاده می‌شوند و چنین دستگاهی HEMT یا eHEMT بهبود نامیده می‌شود .

هنگامی که یک HEMT از AlGaN / GaN ساخته می شود، چگالی توان و ولتاژ شکست بالاتر می تواند به دست آید. نیتریدها همچنین دارای ساختار کریستالی متفاوتی با تقارن پایین تر هستند، یعنی ورتزیتی که دارای قطبش الکتریکی داخلی است. از آنجایی که این پلاریزاسیون بین لایه کانال GaN و لایه مانع AlGaN متفاوت است، یک صفحه بار جبران نشده در مرتبه 0.01-0.03 C/m 2 $^{2}$ تشکیل می شود. به دلیل جهت گیری کریستالی که معمولاً برای رشد همپایی ("صورت گالیمی") استفاده می شود و هندسه دستگاه مناسب برای ساخت (دریچه در بالا)، این ورقه شارژ مثبت است و باعث می شود که گاز الکترونی دو بعدی حتی در صورت عدم وجود دوپینگ تشکیل شود. . چنین ترانزیستوری معمولاً روشن است و فقط در صورتی خاموش می شود که گیت بایاس منفی داشته باشد - بنابراین این نوع HEMT به عنوان HEMT تخلیه یا dHEMT شناخته می شود. با دوپینگ کافی سد با گیرنده‌ها (مثلا Mg )، شارژ داخلی را می‌توان جبران کرد تا عملیات مرسوم‌تر eHEMT را بازیابی کند، با این حال، p-doping با چگالی بالا نیتریدها به دلیل انتشار مواد ناخالص در کانال، از نظر فناوری چالش برانگیز است.

HEMT القایی [ ویرایش ]

در این بخش هیچ منبعی ذکر نشده است . لطفاً با افزودن نقل قول به منابع معتبر به بهبود این بخش کمک کنید . مطالب بدون منبع ممکن است به چالش کشیده و حذف شوند. یافتن منابع: "ترانزیستور با تحرک الکترونی بالا" - اخبار · روزنامه ها · کتاب ها · محقق · JSTOR
( آگوست 2017 ) ( با نحوه و زمان حذف این پیام الگو آشنا شوید )

برخلاف یک HEMT دوپ شده با مدولاسیون، یک ترانزیستور با تحرک الکترون بالا القا شده انعطاف پذیری را برای تنظیم چگالی الکترون های مختلف با یک دروازه بالا فراهم می کند، زیرا حامل های بار به جای ایجاد ناخالصی ها به صفحه 2DEG "القاء" می شوند. عدم وجود یک لایه دوپ شده در مقایسه با همتایان دوپ شده با مدولاسیون، تحرک الکترون را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. این سطح از تمیزی فرصت هایی را برای انجام تحقیقات در زمینه بیلیارد کوانتومی برای مطالعات آشوب کوانتومی یا کاربرد در دستگاه های الکترونیکی فوق العاده پایدار و فوق حساس فراهم می کند. [ نیازمند منبع ]

برنامه های کاربردی [ ویرایش ]

کاربردها (مثلاً برای AlGaAs روی GaAs) مشابه برنامه‌های MESFET هستند - ارتباطات امواج مایکروویو و میلی‌متری ، تصویربرداری، رادار ، و نجوم رادیویی - هر برنامه‌ای که در آن بهره بالا و نویز کم در فرکانس‌های بالا مورد نیاز است. HEMT ها بهره جریان را به فرکانس های بیشتر از 600 گیگاهرتز و بهره قدرت را به فرکانس های بیشتر از 1 تراتز نشان داده اند. [8] ( ترانزیستورهای دوقطبی ناهمگون در فرکانس های بهره فعلی بیش از 600 گیگاهرتز در آوریل 2005 نشان داده شدند.) شرکت های متعددی در سراسر جهان دستگاه های مبتنی بر HEMT را توسعه و تولید می کنند. اینها می توانند ترانزیستورهای مجزا باشند، اما معمولاً به شکل یک مدار مجتمع مایکروویو یکپارچه هستند.MMIC ). HEMT ها در بسیاری از انواع تجهیزات از تلفن های همراه و گیرنده های DBS گرفته تا سیستم های جنگ الکترونیک مانند رادار و نجوم رادیویی یافت می شوند.

علاوه بر این، HEMT های نیترید گالیوم روی بسترهای سیلیکونی به عنوان ترانزیستورهای سوئیچینگ قدرت برای کاربردهای مبدل ولتاژ استفاده می شود. در مقایسه با ترانزیستورهای قدرت سیلیکونی، HEMT‌های گالیوم نیترید دارای مقاومت‌های پایین در حالت روشن و تلفات سوئیچینگ کم [ de ] به دلیل ویژگی‌های گپ باند وسیع هستند. HEMT های توان نیترید گالیوم تا ولتاژ 200 V-600 V به صورت تجاری در دسترس هستند.

همچنین ببینید [ ویرایش ]

ترانزیستور دوقطبی ناهمگون

ترانزیستورهای دوقطبی ناهمگون را می توان برای کاربردهای گیگاهرتز استفاده کرد.

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/High-electron-mobility_transistor

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:52 توسط علی رضا نقش |

ترانزیستور دوقطبی ناهمگون

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

ترانزیستور دوقطبی ناهمگون ( HBT ) نوعی از ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) است که از مواد نیمه هادی متفاوتی برای مناطق امیتر و پایه استفاده می کند و یک اتصال ناهمگون ایجاد می کند . HBT در BJT بهبود می‌یابد زیرا می‌تواند سیگنال‌هایی با فرکانس‌های بسیار بالا، تا چند صد گیگاهرتز را کنترل کند. معمولاً در مدارهای فوق سریع مدرن، عمدتاً سیستم‌های فرکانس رادیویی (RF)، و در برنامه‌هایی که نیاز به راندمان توان بالایی دارند، مانند تقویت‌کننده‌های قدرت RF در تلفن‌های همراه استفاده می‌شود . ایده بکارگیری heterojunction به قدمت BJT معمولی است که به ثبت اختراع در سال 1951 باز می گردد .نظریه دقیق ترانزیستور دوقطبی ناهمگونی توسط هربرت کرومر در سال 1957 توسعه یافت .

مواد [ ویرایش ]

باندها در ترانزیستور دوقطبی npn ناهمگونی درجه بندی شده. موانعی برای حرکت الکترون ها از امیتر به پایه، و برای حفره هایی که از پایه به امیتر به عقب تزریق می شوند نشان داده شده است. همچنین، درجه بندی فاصله باند در پایه به انتقال الکترون در ناحیه پایه کمک می کند. رنگ های روشن نشان دهنده مناطق تخلیه شده است .

تفاوت اصلی بین BJT و HBT در استفاده از مواد نیمه هادی متفاوت برای اتصال امیتر-پایه و اتصال پایه-کلکتور است که باعث ایجاد یک اتصال ناهمگون می شود. اثر محدود کردن تزریق سوراخ ها از پایه به ناحیه امیتر است، زیرا مانع بالقوه در باند ظرفیت بالاتر از باند هدایت است. برخلاف فناوری BJT، این اجازه می دهد تا از چگالی دوپینگ بالا در پایه استفاده شود و مقاومت پایه را کاهش دهد و در عین حال بهره را حفظ کند. کارایی اتصال ناهمگون با ضریب کرومر اندازه گیری می شود. [3] کرومر در سال 2000 به خاطر کارش در این زمینه در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، جایزه نوبل دریافت کرد.

مواد مورد استفاده برای زیرلایه شامل سیلیکون، آرسنید گالیم و فسفید ایندیم است، در حالی که آلیاژهای سیلیکون/سیلیکون-ژرمانیوم ، آرسنید گالیم آلومینیوم /آرسنید گالیم و فسفید ایندیم / آرسنید گالیم ایندیم برای لایه‌های همپایی استفاده می‌شوند. نیمه هادی های باند پهن مانند نیترید گالیوم و نیترید گالیوم ایندیم به ویژه امیدوارکننده هستند.

در ترانزیستورهای ناهمساختار درجه بندی شده SiGe ، مقدار ژرمانیوم در پایه درجه بندی می شود و باعث می شود فاصله باند در کلکتور نسبت به امیتر باریک تر شود. این کاهش فاصله باند منجر به انتقال به کمک میدان در پایه می شود که انتقال را از طریق پایه سرعت می بخشد و پاسخ فرکانسی را افزایش می دهد.

ساخت [ ویرایش ]

با توجه به نیاز به ساخت دستگاه‌های HBT با لایه‌های پایه نازک با دوپ بسیار بالا، اپیتاکسی پرتو مولکولی عمدتاً استفاده می‌شود. علاوه بر لایه‌های پایه، امیتر و کلکتور، لایه‌هایی با دوپ بالا در دو طرف کلکتور و امیتر برای تسهیل تماس اهمی قرار می‌گیرند که پس از نوردهی با فوتولیتوگرافی و اچینگ روی لایه‌های تماس قرار می‌گیرند. لایه تماس زیر کلکتور، به نام subcollector، بخش فعال ترانزیستور است.

بسته به سیستم مواد از تکنیک های دیگری استفاده می شود. IBM و دیگران از رسوب بخار شیمیایی با خلاء فوق العاده بالا (UHVCVD) برای SiGe استفاده می کنند. سایر تکنیک های مورد استفاده شامل MOVPE برای سیستم های III-V است.

معمولاً لایه‌های هم‌پایه به صورت شبکه‌ای مطابقت دارند (که انتخاب فاصله باند و غیره را محدود می‌کند). اگر آنها تقریباً شبکه ای منطبق باشند، دستگاه شبه شکل است ، و اگر لایه ها بی همتا باشند (اغلب توسط یک لایه بافر نازک از هم جدا می شوند) دگرگونی است .

محدودیت ها [ ویرایش ]

نشان داده شد که یک ترانزیستور دوقطبی ناهمگونی شبه شکل ساخته شده در دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign ، ساخته شده از فسفید ایندیم و آرسنید گالیم ایندیم و طراحی شده با کلکتور، پایه و امیتر درجه بندی شده ترکیبی، با سرعت 710 گیگاهرتز قطع می شود. [4] [5]

HBTهای ساخته شده از InP / InGaA علاوه بر رکوردشکن بودن از نظر سرعت، برای مدارهای مجتمع نوری یکپارچه ایده آل هستند. یک آشکارساز عکس از نوع PIN توسط لایه های پایه-کلکتور-فرعی تشکیل می شود. فاصله باند InGaAs برای تشخیص سیگنال های لیزری مادون قرمز با طول موج 1550 نانومتر که در سیستم های ارتباطی نوری استفاده می شود، به خوبی کار می کند. با بایاس HBT برای به دست آوردن یک دستگاه فعال، یک ترانزیستور عکس با بهره داخلی بالا به دست می آید. از دیگر کاربردهای HBT، مدارهای سیگنال مختلط مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ هستند.

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Heterojunction_bipolar_transistor

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:49 توسط علی رضا نقش |

2-آموزش لیزر کوانتومی آبشار

طول موج انتشار [ ویرایش ]

پنهان شدناین بخش مشکلات متعددی دارد. لطفاً به بهبود آن کمک کنید یا درباره این مسائل در صفحه بحث بحث کنید. ( با نحوه و زمان حذف این پیام های الگو آشنا شوید )

صحت واقعی این بخش مورد مناقشه است . ( ژانويه 2012 )

این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( ژوئن 2008 )

QCLها در حال حاضر محدوده طول موجی از 2.63 میکرومتر [20] تا 250 میکرومتر [21] را پوشش می دهند (و با اعمال میدان مغناطیسی تا 355 میکرومتر گسترش می یابد. [ نیاز به نقل از ] )

موجبرهای نوری [ ویرایش ]

نمای انتهایی نمای QC با موجبر برجستگی. خاکستری تیره تر: InP، خاکستری روشن تر: لایه های QC، مشکی: دی الکتریک، طلایی: پوشش طلا. خط الراس ~ 10 میلی متر عرض.

نمای انتهایی وجه QC با موجبر ناهم ساختار مدفون. خاکستری تیره تر: InP، خاکستری روشن تر: لایه های QC، سیاه: دی الکتریک. ساختار ناهمسان ~ 10 میکرومتر عرض

اولین گام در پردازش مواد بهره آبشاری کوانتومی برای ساختن یک دستگاه تابش نور مفید، محدود کردن محیط بهره در یک موجبر نوری است. این امکان هدایت نور ساطع شده را به یک پرتو همسو می‌کند و اجازه می‌دهد تا یک تشدیدگر لیزری ساخته شود تا بتوان نور را دوباره به محیط بهره جفت کرد.

دو نوع موجبر نوری رایج هستند. یک موجبر برجستگی با حک کردن ترانشه‌های موازی در ماده افزایش آبشار کوانتومی ایجاد می‌شود تا یک نوار مجزا از مواد QC، معمولاً ~ 10 میلی متر عرض و چندین میلی متر طول ایجاد کند. یک ماده دی الکتریک به طور معمول در ترانشه ها قرار می گیرد تا جریان تزریق شده را به پشته هدایت کند، سپس کل رج معمولاً با طلا پوشانده می شود تا تماس الکتریکی برقرار کند و به حذف گرما از پشته در هنگام تولید نور کمک کند. نور از انتهای بریده شده موجبر ساطع می شود، با یک ناحیه فعال که معمولاً فقط چند میکرومتر ابعاد دارد.

نوع دوم موجبر یک ساختار ناهمسان مدفون است . در اینجا، ماده QC نیز برای تولید یک برجستگی ایزوله اچ می شود. با این حال، اکنون، مواد نیمه هادی جدید بر روی پشته رشد می کنند. تغییر در ضریب شکست بین ماده QC و ماده بیش از حد رشد کرده برای ایجاد یک موجبر کافی است. مواد دی الکتریک نیز بر روی مواد بیش از حد رشد یافته در اطراف خط الراس QC رسوب می کند تا جریان تزریق شده را به محیط افزایش QC هدایت کند. موجبرهای ناهم ساختار مدفون در حذف گرما از ناحیه فعال QC در هنگام تولید نور کارآمد هستند.

انواع لیزر [ ویرایش ]

اگرچه از محیط بهره آبشاری کوانتومی می توان برای تولید نور ناهمدوس در یک پیکربندی سوپرلومینسانس استفاده کرد، [22] بیشتر در ترکیب با یک حفره نوری برای تشکیل یک لیزر استفاده می شود.

لیزرهای فابری-پروت [ ویرایش ]

این ساده ترین لیزر آبشاری کوانتومی است. یک موجبر نوری ابتدا از ماده آبشار کوانتومی ساخته می شود تا محیط بهره را تشکیل دهد. سپس انتهای دستگاه نیمه هادی کریستالی شکاف داده می شود تا دو آینه موازی در دو طرف موجبر ایجاد شود، بنابراین تشدید کننده فابری-پرو تشکیل می شود. بازتاب باقیمانده در وجوه بریده شده از رابط نیمه هادی به هوا برای ایجاد یک تشدید کننده کافی است. لیزرهای آبشاری کوانتومی Fabry-Pérot قادر به تولید توان های بالا هستند، [23] اما معمولاً در جریان های عملیاتی بالاتر چند حالته هستند. طول موج را می توان عمدتا با تغییر دمای دستگاه QC تغییر داد.

لیزرهای بازخورد توزیع شده [ ویرایش ]

یک لیزر آبشاری کوانتومی بازخورد توزیع شده (DFB) [24] شبیه لیزر Fabry-Pérot است، به جز یک بازتابنده براگ توزیع شده (DBR) که در بالای موجبر ساخته شده است تا از انتشار آن در طول موجی غیر از طول موج مورد نظر جلوگیری کند. این کار لیزر را حتی در جریان های کاری بالاتر مجبور به عملکرد تک حالته می کند. لیزرهای DFB را می توان عمدتاً با تغییر دما تنظیم کرد، اگرچه یک نوع جالب در تنظیم را می توان با پالس لیزر DFB به دست آورد. در این حالت، طول موج لیزر در طول جریان پالس به سرعت " چیهک " می شود و امکان اسکن سریع یک ناحیه طیفی را فراهم می کند. [25]

لیزرهای حفره خارجی [ ویرایش ]

شماتیک دستگاه QC در حفره خارجی با بازخورد نوری انتخابی فرکانس ارائه شده توسط گریتینگ پراش در پیکربندی Littrow.

در یک لیزر آبشاری کوانتومی حفره خارجی (EC)، دستگاه آبشار کوانتومی به عنوان رسانه افزایش لیزر عمل می کند. یکی، یا هر دو، از وجوه موجبر دارای یک پوشش ضد انعکاس است که عملکرد حفره نوری وجوه شکاف خورده را از بین می برد. سپس آینه ها در پیکربندی بیرونی دستگاه QC مرتب می شوند تا حفره نوری ایجاد شود.

اگر یک عنصر انتخابی فرکانس در حفره خارجی گنجانده شود، می توان تابش لیزر را به یک طول موج کاهش داد و حتی تابش را تنظیم کرد. به عنوان مثال، از توری های پراش برای ایجاد یک لیزر قابل تنظیم [26] استفاده شده است که می تواند بیش از 15 درصد طول موج مرکزی خود را تنظیم کند.

دستگاه های تنظیم پیشرفته [ ویرایش ]

چندین روش برای گسترش محدوده تنظیم لیزرهای آبشاری کوانتومی با استفاده از عناصر یکپارچه یکپارچه وجود دارد. هیترهای یکپارچه می توانند محدوده تنظیم را در دمای عملیاتی ثابت تا 0.7٪ از طول موج مرکزی [27] گسترش دهند و توری های روبنا که از طریق اثر Vernier کار می کنند می توانند آن را تا 4٪ از طول موج مرکزی گسترش دهند، [28] در مقایسه با <0.1٪ برای یک دستگاه استاندارد DFB

رشد [ ویرایش ]

این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( ژوئن 2008 )

لایه های متناوب دو نیمه هادی مختلف که ساختار ناهمسان کوانتومی را تشکیل می دهند، ممکن است با استفاده از روش های مختلفی مانند اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) یا اپیتاکسی فاز بخار متال آلی ( MOVPE)، که به عنوان رسوب بخار شیمیایی فلز آلی نیز شناخته می شود، روی یک بستر رشد کنند. MOCVD).

برنامه های کاربردی [ ویرایش ]

لیزرهای آبشاری کوانتومی Fabry-Pero (FP) برای اولین بار در سال 1998 تجاری شدند، [29] دستگاه های بازخورد توزیع شده (DFB) برای اولین بار در سال 2004 تجاری شدند، [30] و لیزرهای آبشاری کوانتومی حفره خارجی با قابلیت تنظیم گسترده برای اولین بار در سال 2006 تجاری شدند [31]. خروجی توان نوری بالا، محدوده تنظیم و عملکرد دمای اتاق، QCL ها را برای کاربردهای طیف سنجی مانند سنجش از راه دور گازهای محیطی و آلاینده ها در جو [32] و امنیت مفید می کند. آنها ممکن است در نهایت برای کنترل کروز خودرو در شرایط دید ضعیف استفاده شوند [ نیازمند منبع ]رادار اجتناب از برخورد ، [ نیازمند منبع ] کنترل فرآیند صنعتی، [ نیازمند منبع ] و تشخیص پزشکی مانند آنالایزرهای تنفسی. [33] QCL ها همچنین برای مطالعه شیمی پلاسما استفاده می شوند. [34]

هنگامی که در سیستم‌های لیزری چندگانه استفاده می‌شود، طیف‌سنجی QCL درون پالسی پوشش طیفی باند پهنی را ارائه می‌دهد که به طور بالقوه می‌تواند برای شناسایی و تعیین کمیت مولکول‌های سنگین پیچیده مانند مولکول‌های موجود در مواد شیمیایی سمی، مواد منفجره و داروها استفاده شود. [ توضیحات لازم ] [35]

در داستان [ ویرایش ]

بازی ویدیویی Star Citizen لیزرهای آبشاری کوانتومی حفره خارجی را به عنوان سلاح های پرقدرت تصور می کند. [36]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum-cascade_laser

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:47 توسط علی رضا نقش |

لیزر کوانتومی آبشار

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

(برگرفته از لیزر کوانتومی آبشار )

لیزرهای آبشاری کوانتومی (QCLs) لیزرهای نیمه هادی هستند که در بخش مادون قرمز میانی تا دور طیف الکترومغناطیسی ساطع می کنند و اولین بار توسط جروم فایست ، فدریکو کاپاسو ، دبورا سیوکو، کارلو سیرتوری ، آلبرت هاچینسون و آلفرد چو نشان داده شد. آزمایشگاه ها در سال 1994. [1]

بر خلاف لیزرهای نیمه هادی بین باند معمولی که تابش الکترومغناطیسی را از طریق ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره در سراسر شکاف باند مواد منتشر می کنند ، QCL ها تک قطبی هستند و انتشار لیزر از طریق استفاده از انتقال بین زیر باند در یک پشته مکرر از چاه های کوانتومی چندگانه نیمه هادی ، یک ساختار ناهمگون حاصل می شود. ایده اولین بار در مقاله "امکان تقویت امواج الکترومغناطیسی در یک نیمه هادی با ابرشبکه " توسط R. F. Kazarinov و R. A. Suris در سال 1971 ارائه شد .

انتقال بین باند در مقابل انتقال بین باند [ ویرایش ]

انتقال بین باند در لیزرهای نیمه هادی معمولی یک فوتون منفرد ساطع می کند.

در یک کریستال نیمه‌رسانای حجیم ، الکترون‌ها ممکن است حالت‌هایی را در یکی از دو باند انرژی پیوسته اشغال کنند - نوار ظرفیت ، که به شدت با الکترون‌های کم انرژی پر شده است و نوار رسانایی ، که به صورت پراکنده با الکترون‌های پر انرژی پر است. دو باند انرژی توسط یک شکاف باند انرژی از هم جدا می شوند که در آن هیچ حالت مجاز برای اشغال الکترون ها وجود ندارد. دیودهای لیزر نیمه هادی معمولی نور را از یک فوتون منفرد تولید می کنند که وقتی یک الکترون پرانرژی در نوار رسانایی با یک حفره دوباره ترکیب می شود.در باند ظرفیت بنابراین انرژی فوتون و در نتیجه طول موج انتشار دیودهای لیزر توسط شکاف نواری سیستم مواد مورد استفاده تعیین می شود.

با این حال یک QCL از مواد نیمه هادی حجیم در ناحیه فعال نوری خود استفاده نمی کند. در عوض، از یک سری لایه های نازک دوره ای از ترکیب مواد مختلف تشکیل شده است که یک ابرشبکه را تشکیل می دهد . ابرشبکه یک پتانسیل الکتریکی متغیر در طول دستگاه معرفی می کند، به این معنی که احتمال متفاوتی وجود دارد که الکترون ها موقعیت های مختلفی را در طول دستگاه اشغال کنند. این به عنوان محصور کردن چاه کوانتومی چند بعدی یک بعدی شناخته می شود و منجر به تقسیم باند انرژی های مجاز به تعدادی زیر باند الکترونیکی گسسته می شود. با طراحی مناسب ضخامت لایه ها می توان مهندسی الف وارونگی جمعیت بین دو زیر باند در سیستم که برای دستیابی به انتشار لیزر مورد نیاز است. از آنجایی که موقعیت سطوح انرژی در سیستم در درجه اول توسط ضخامت لایه ها و نه مواد تعیین می شود، می توان طول موج انتشار QCL ها را در محدوده وسیعی در همان سیستم مواد تنظیم کرد.

در ساختارهای آبشاری کوانتومی، الکترون ها تحت انتقال بین زیر باندی قرار می گیرند و فوتون ها گسیل می شوند. الکترون‌ها به دوره بعدی ساختار تونل می‌کنند و این فرآیند تکرار می‌شود.

علاوه بر این، در دیودهای لیزر نیمه هادی، الکترون ها و حفره ها پس از ترکیب مجدد در سراسر شکاف نواری نابود می شوند و نمی توانند نقش دیگری در تولید فوتون ایفا کنند. با این حال، در یک QCL تک قطبی، هنگامی که یک الکترون تحت یک گذار بین زیر باندی قرار گرفت و یک فوتون در یک دوره از ابرشبکه ساطع کرد، می‌تواند به دوره بعدی ساختار تونل بزند، جایی که فوتون دیگری می‌تواند گسیل شود. این فرآیند یک الکترون که باعث گسیل فوتون‌های متعدد می‌شود که از ساختار QCL عبور می‌کند، نام آبشار را ایجاد می‌کند و بازده کوانتومی بیش از واحد را ممکن می‌سازد که منجر به قدرت‌های خروجی بالاتر از دیودهای لیزر نیمه‌رسانا می‌شود.

اصول عملیاتی [ ویرایش ]

معادلات نرخ [ ویرایش ]

جمعیت زیر باند توسط نرخ پراکندگی بین زیر باند و جریان تزریق / استخراج تعیین می شود.

QCL ها معمولا بر اساس یک سیستم سه سطحی هستند . [3] با فرض اینکه تشکیل توابع موج در مقایسه با پراکندگی بین حالت‌ها فرآیندی سریع است، راه‌حل‌های مستقل از زمان برای معادله شرودینگر ممکن است اعمال شوند و سیستم را می‌توان با استفاده از معادلات نرخ مدل‌سازی کرد. هر زیر باند حاوی تعدادی الکترون است�من $n_{i}$ (جایی کهمن $من$ شاخص زیر باند است) که بین سطوح با طول عمر پراکنده می شود�من� $\tau _{{اگر}}$ (متقابل میانگین نرخ پراکندگی بین زیر باندیدبلیومن� $W_{{اگر}}$ )، جایی کهمن $من$ و� $f$ شاخص های زیر باند اولیه و نهایی هستند. با فرض اینکه هیچ زیر باند دیگری پر نشده باشد، معادلات سرعت برای لیزرهای سه سطحی به صورت زیر ارائه می شود:

د�3دتی=منمنn+�1�13+�2�23-�3�31-�3�32 ${\frac {{\mathrm {d}}n_{3}}{{\mathrm {d}}t}}=I_{{{\mathrm {in}}}}+{\frac {n_{1}} {\tau _{{13}}}}+{\frac {n_{2}}{\tau _{{23}}}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{31} }}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}$

د�2دتی=�3�32+�1�12-�2�21-�2�23 ${\frac {{\mathrm {d}}n_{2}}{{\mathrm {d}}t}}={\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}+{ \frac {n_{1}}{\tau _{{12}}}}-{\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}-{\frac {n_{2}} {\tau _{{23}}}}$

د�1دتی=�2�21+�3�31-�1�13-�1�12-منoتوتی ${\frac {{\mathrm {d}}n_{1}}{{\mathrm {d}}t}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}+{ \frac {n_{3}}{\tau _{{31}}}}-{\frac {n_{1}}{\tau _{{13}}}}-{\frac {n_{1}} {\tau _{{12}}}}-I_{{{\mathrm {out}}}}$

در حالت پایدار ، مشتقات زمانی برابر با صفر و هستندمنمنn=منoتوتی=من $I_{{{\mathrm {in}}}}=I_{{{\mathrm {out}}}}=I$ . بنابراین، معادله سرعت کلی برای الکترون‌ها در زیر باند i یک سیستم سطح N به صورت زیر است:

د�مندتی=∑�=1ن��من-�من∑�=1ن1�من�+من(�منن-�من1) ${\frac {{\mathrm {d}}n_{i}}{{\mathrm {d}}t}}=\sum \limits _{{j=1}}^{N}{\frac {n_{ j}}{\tau _{{ji}}}}-n_{i}\sum \limits _{{j=1}}^{N}{\frac {1}{\tau _{{ij}} }}+I(\delta _{{iN}}-\delta _{{i1}})$ ،

با این فرض که فرآیندهای جذب را می توان نادیده گرفت، (یعنی�1�12=�2�23=0 ${\frac {n_{1}}{\tau _{{12}}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{23}}}}=0$ ، در دماهای پایین معتبر است) معادله نرخ متوسط می دهد

�3�32=�2�21 ${\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}$

بنابراین، اگر�32>�21 $\tau _{{32}}>\tau _{{21}}$ (یعنیدبلیو21>دبلیو32 $W_{{21}}>W_{{32}}$ ) سپس�3>�2 $n_{3}>n_{2}$ و وارونگی جمعیت وجود خواهد داشت. نسبت جمعیت به صورت تعریف شده است

�3�2=�32�21=دبلیو21دبلیو32 ${\frac {n_{3}}{n_{2}}}={\frac {\tau _{{32}}}{\tau _{{21}}}}={\frac {W_{21 }}}{W_{{32}}}}$

اگر تمام N معادلات نرخ حالت پایدار جمع شوند، سمت راست صفر می شود، به این معنی که سیستم تعریف نشده است و فقط می توان جمعیت نسبی هر زیر باند را پیدا کرد. اگر چگالی ورق کل حامل هان2D $N_{{{\mathrm {2D}}}}$ در سیستم نیز شناخته شده است، سپس جمعیت مطلق حامل ها در هر زیر باند را می توان با استفاده از:

∑من=1ن�من=ن2D $\sum \limits _{{i=1}}^{{N}}n_{i}=N_{{{\mathrm {2D}}}}$ .

به عنوان یک تقریب، می توان فرض کرد که تمام حامل های موجود در سیستم از طریق دوپینگ تامین می شوند . اگر گونه ناخالص انرژی یونیزاسیون ناچیز داشته باشدن2D $N_{{{\mathrm {2D}}}}$ تقریباً برابر با چگالی دوپینگ است.

توابع موج الکترونی در هر دوره از یک منطقه فعال QCL سه چاه کوانتومی تکرار می شوند. سطح لیزر بالایی به صورت پررنگ نشان داده شده است.

طرح های منطقه فعال [ ویرایش ]

نرخ پراکندگی با طراحی مناسب ضخامت لایه در ابرشبکه که توابع موج الکترونی زیر باندها را تعیین می کند، تنظیم می شود. نرخ پراکندگی بین دو زیر باند به شدت به همپوشانی توابع موج و فاصله انرژی بین زیر باندها بستگی دارد. شکل توابع موج را در یک منطقه فعال QCL و انژکتور سه چاه کوانتومی (3QW) نشان می دهد.

برای کاهشدبلیو32 $W_{32}}$ ، همپوشانی سطوح لیزر بالا و پایین کاهش می یابد. این اغلب از طریق طراحی ضخامت لایه ها به دست می آید به طوری که سطح لیزر بالایی عمدتاً در چاه سمت چپ ناحیه فعال 3QW محلی است، در حالی که عملکرد موج سطح لیزر پایین تر عمدتاً در چاه های مرکزی و سمت راست قرار می گیرد. . این به عنوان یک انتقال مورب شناخته می شود. انتقال عمودی ، انتقالی است که در آن سطح لیزر بالایی عمدتاً در چاه های مرکزی و سمت راست قرار می گیرد. این باعث افزایش همپوشانی و از این رو می شوددبلیو32 $W_{32}}$ که وارونگی جمعیت را کاهش می دهد، اما قدرت انتقال تابشی و در نتیجه افزایش را افزایش می دهد.

به منظور افزایشدبلیو21 $W_{21}}$ توابع امواج سطح پایین لیزر و سطح زمین به گونه ای طراحی شده اند که همپوشانی خوبی داشته باشند و افزایش دهند.دبلیو21 $W_{21}}$ علاوه بر این، فاصله انرژی بین زیر باندها به گونه ای طراحی شده است که برابر با انرژی طولی نوری (LO) فونون (~36 مگا ولت در GaAs) باشد، به طوری که پراکندگی فونون-الکترون رزونانس LO می تواند به سرعت سطح لیزر پایین را خالی کند.

سیستم های مواد [ ویرایش ]

اولین QCL در سیستم مواد GaInAs/AlInAs ساخته شد که با یک بستر InP مطابقت داشت . [1] این سیستم ماده خاص دارای افست باند هدایت (عمق چاه کوانتومی) 520 مگا ولت است. این دستگاه‌های مبتنی بر InP به سطوح بسیار بالایی از عملکرد در محدوده طیفی مادون قرمز میانی دست یافته‌اند و به قدرت بالا، بالاتر از دمای اتاق و انتشار امواج پیوسته دست یافته‌اند. [4]

در سال 1998 QCLهای GaAs / AlGaAs توسط Sirtori و همکاران نشان داده شد. اثبات اینکه مفهوم QC به یک سیستم مادی محدود نمی شود. [5] این سیستم مواد دارای عمق چاه کوانتومی متغیری است که بستگی به کسر آلومینیوم در موانع دارد. [ نیاز به منبع ] اگرچه QCLهای مبتنی بر GaAs با سطوح عملکرد QCLهای مبتنی بر InP در مادون قرمز میانی مطابقت ندارند، اما ثابت کرده اند که در ناحیه تراهرتز طیف بسیار موفق هستند. [6]

حد طول موج کوتاه QCL ها با عمق چاه کوانتومی تعیین می شود و اخیراً QCL ها در سیستم های مواد با چاه های کوانتومی بسیار عمیق به منظور دستیابی به انتشار طول موج کوتاه توسعه یافته اند. سیستم مواد InGaAs/AlAsSb دارای چاه های کوانتومی با عمق 1.6 eV است و برای ساخت QCL هایی که در 3.05 میکرومتر ساطع می شوند، استفاده شده است. [7] QCL های InAs/AlSb دارای چاه های کوانتومی با عمق 2.1 eV هستند و الکترولومینسانس در طول موج های کوتاه 2.5 میکرومتر مشاهده شده است. [8]

زوج InAs/AlSb جدیدترین خانواده مواد QCL در مقایسه با آلیاژهای رشد یافته بر روی بسترهای InP و GaAs است. مزیت اصلی سیستم مواد InAs/AlSb جرم الکترون موثر کوچک در چاه‌های کوانتومی است که به سود بالا بین زیر باندی کمک می‌کند. [9] این مزیت را می توان در QCLهای با طول موج بلند که سطوح انتقال لیزر نزدیک به انتهای نوار رسانایی است و اثر غیرپارابولیکی ضعیف است، بهتر مورد استفاده قرار داد. QCL های مبتنی بر InAs عملکرد موج پیوسته (CW) دمای اتاق (RT) را در طول موج های تا حداکثر نشان داده اند.17.7 �متر $17.7~\mu m$ با چگالی جریان آستانه پالسیجیتیساعت $J_{th}$ به اندازه پایین1 کآ/جمتر2 $1~kA/cm^{2}$ . [10] مقادیر کم ازجیتیساعت $J_{th}$ همچنین در QCL های مبتنی بر InAs که در سایر مناطق طیفی منتشر می شوند، به دست آمده اند:0.715 کآ/جمتر2 $0.715~kA/cm^{2}$ در15 $15~\mu m$ ، [11] 0.99 کآ/جمتر2 $0.99~kA/cm^{2}$ در11 $11~\mu m$ [12] و0.75 کآ/جمتر2 $0.75~kA/cm^{2}$ در7.7 $7.7~\mu m$ [13] (QCL روی InAs رشد کرده است). اخیراً QCL های مبتنی بر InAs در نزدیکی کار می کنند14 $14~\mu m$ باجیتیساعت $J_{th}$ به اندازه پایین0.6 کآ/جمتر2 $0.6~kA/cm^{2}$ در دمای اتاق نشان داده شده است. آستانه به دست آمده کمتر ازجیتیساعت $J_{th}$ از بهترین QCL های مبتنی بر InP گزارش شده تا به امروز بدون درمان فاست. [14]

QCL ها همچنین ممکن است به کار لیزر در موادی که به طور سنتی دارای خواص نوری ضعیفی در نظر گرفته می شوند اجازه دهند. مواد غیرمستقیم شکاف باند مانند سیلیکون دارای حداقل انرژی الکترون و حفره در مقادیر تکانه متفاوت هستند. برای انتقال نوری بین باندی، حامل‌ها حرکت حرکتی را از طریق یک فرآیند پراکندگی کند و متوسط تغییر می‌دهند و شدت انتشار نوری را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند. با این حال، انتقال‌های نوری بین زیر باند مستقل از تکانه نسبی باند هدایت و حداقل باند ظرفیت هستند و پیشنهادات نظری برای گسیل‌گرهای آبشاری کوانتومی Si / SiGe ارائه شده است. [15]الکترولومینسانس بین زیر باندی از ساختارهای غیرقطبی SiGe برای طول موج های مادون قرمز وسط و مادون قرمز دور، هم در ظرفیت [16] [17] [18] و هم در باند رسانایی مشاهده شده است. [19]

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:45 توسط علی رضا نقش |

7-سلول خورشیدی

ساخت [ ویرایش ]

این بخش به نقل قول های اضافی برای تأیید نیاز دارد . لطفاً با افزودن نقل قول به منابع معتبر به بهبود این مقاله کمک کنید . اطلاعات بدون مرجع ممکن است مشکل ایجاد کرده و پاک شوند. ( ژوئن 2014 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید )

ماشین حساب اولیه با انرژی خورشیدی

سلول‌های خورشیدی برخی از تکنیک‌های پردازش و ساخت مشابه با سایر دستگاه‌های نیمه‌رسانا را به اشتراک می‌گذارند. با این حال، الزامات سختگیرانه برای تمیزی و کنترل کیفیت ساخت نیمه هادی ها برای سلول های خورشیدی راحت تر است و هزینه ها را کاهش می دهد.

ویفرهای سیلیکونی پلی کریستالی توسط شمش های سیلیکونی بلوک اره سیمی به ویفرهای 180 تا 350 میکرومتری ساخته می شوند. ویفرها معمولاً به آرامی از نوع p دوپ می شوند. انتشار سطحی ناخالصی های نوع n در قسمت جلویی ویفر انجام می شود. این اتصال ap-n را در چند صد نانومتر زیر سطح تشکیل می دهد.

سپس پوشش‌های ضد انعکاس معمولاً برای افزایش مقدار نور جفت شده به سلول خورشیدی اعمال می‌شوند. نیترید سیلیکون به تدریج جایگزین دی اکسید تیتانیوم به عنوان ماده ترجیحی شده است، زیرا دارای کیفیت غیرفعال سازی سطح عالی است. از نوترکیبی حامل در سطح سلول جلوگیری می کند. لایه ای به ضخامت چند صد نانومتر با استفاده از رسوب دهی بخار شیمیایی تقویت شده با پلاسما اعمال می شود . برخی از سلول های خورشیدی دارای سطوح جلویی بافتی هستند که مانند پوشش های ضد انعکاس، میزان نوری را که به ویفر می رسد افزایش می دهد. چنین سطوحی ابتدا بر روی سیلیکون تک کریستالی اعمال شد، سپس کمی بعد سیلیکون چند کریستالی اعمال شد.

یک کنتاکت فلزی کامل در سطح پشتی ایجاد می‌شود و یک تماس فلزی شبکه‌مانند که از «انگشت‌های» ظریف و «میله‌های اتوبوس» بزرگ‌تر تشکیل شده است، با استفاده از خمیر نقره‌ای روی سطح جلویی چاپ می‌شوند. این یک تکامل از فرآیند به اصطلاح "مرطوب" برای اعمال الکترودها است که برای اولین بار در یک حق اختراع ایالات متحده که در سال 1981 توسط Bayer AG ثبت شد، توصیف شد . [142] تماس پشتی با چاپ روی صفحه یک خمیر فلزی، معمولاً آلومینیومی تشکیل می‌شود. معمولاً این تماس تمام قسمت عقب را می پوشاند، اگرچه برخی از طرح ها از یک الگوی شبکه استفاده می کنند. سپس خمیر را در چند صد درجه سانتیگراد شلیک می کنند تا الکترودهای فلزی در تماس اهمی تشکیل شودبا سیلیکون برخی از شرکت ها از یک مرحله آبکاری اضافی برای افزایش کارایی استفاده می کنند. پس از ایجاد کنتاکت های فلزی، سلول های خورشیدی توسط سیم های مسطح یا نوارهای فلزی به هم متصل می شوند و به صورت ماژول ها یا "پنل های خورشیدی" مونتاژ می شوند. پنل های خورشیدی دارای ورقه ای از شیشه سکوریت در جلو و یک محفظه پلیمری در پشت هستند.

انواع مختلف ساخت و بازیافت تا حدی تعیین می کند که چقدر در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و تأثیر مثبت زیست محیطی موثر است. [37] چنین تفاوت‌ها و اثربخشی را می‌توان برای تولید بهینه‌ترین انواع محصولات برای اهداف مختلف در مناطق مختلف در طول زمان اندازه‌گیری کرد.

تولید کنندگان و گواهینامه [ ویرایش ]

اطلاعات بیشتر: لیست شرکت های فتوولتائیک

این بخش باید به روز شود . لطفاً به به روز رسانی این مقاله کمک کنید تا رویدادهای اخیر یا اطلاعات جدید موجود را منعکس کند. ( نوامبر 2021 )

تولید سلول های خورشیدی بر اساس منطقه [143]

آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر فناوری های خورشیدی را آزمایش و تأیید می کند. سه گروه قابل اعتماد تجهیزات خورشیدی را تأیید می کنند: UL و IEEE (هر دو استاندارد ایالات متحده) و IEC .

سلول های خورشیدی در ژاپن، آلمان، چین، تایوان، مالزی و ایالات متحده در حجم تولید می شوند، در حالی که اروپا، چین، ایالات متحده و ژاپن (94٪ یا بیشتر از سال 2013) در سیستم های نصب شده تسلط داشتند. [144] کشورهای دیگر ظرفیت تولید سلول های خورشیدی قابل توجهی را به دست می آورند.

طبق گزارش سالانه "گزارش وضعیت PV" منتشر شده توسط مرکز تحقیقات مشترک کمیسیون اروپا ، تولید جهانی سلول/ماژول PV در سال 2012 با وجود کاهش 9 درصدی سرمایه گذاری در انرژی خورشیدی، 10 درصد افزایش یافت . بین سال های 2009 و 2013 تولید سلولی چهار برابر شده است. [144] [145] [146]

چین [ ویرایش ]

مقاله اصلی: انرژی خورشیدی در چین

از سال 2013، چین پیشروترین نصب کننده فتوولتائیک خورشیدی (PV) در جهان بوده است. [144] تا سپتامبر 2018، شصت درصد از ماژول‌های فتوولتائیک خورشیدی جهان در چین ساخته شده‌اند. [147] از ماه مه 2018، بزرگترین نیروگاه فتوولتائیک در جهان در صحرای تنگر در چین واقع شده است. [148] در سال 2018، چین ظرفیت نصب شده فتوولتائیک بیشتری (بر حسب گیگاوات) نسبت به مجموع 9 کشور بعدی اضافه کرد. [149] تا سال 2022، سهم چین در تولید پنل های خورشیدی در تمام مراحل ساخت از 80 درصد فراتر رفت. [150]

مالزی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: تولید فتوولتائیک در مالزی

در سال 2014، مالزی سومین تولیدکننده بزرگ تجهیزات فتوولتائیک در جهان پس از چین و اتحادیه اروپا بود . [151]

ایالات متحده [ ویرایش ]

مقاله اصلی: انرژی خورشیدی در ایالات متحده

تولید انرژی خورشیدی در ایالات متحده از سال 2013 تا 2019 دو برابر شده است. [152] این امر ابتدا به دلیل کاهش قیمت سیلیکون با کیفیت، [153] [154] [155] و بعداً صرفاً به دلیل کاهش قیمت جهانی ماژول‌های فتوولتائیک بود. [148] [156] در سال 2018، ایالات متحده 10.8 گیگاوات انرژی فتوولتائیک خورشیدی نصب شده اضافه کرد که افزایش 21 درصدی داشت. [149]

منابع مواد [ ویرایش ]

این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( نوامبر 2021 )

مانند بسیاری دیگر از فناوری های تولید انرژی، ساخت سلول های خورشیدی، به ویژه گسترش سریع آن، پیامدهای زیست محیطی و زنجیره تامین زیادی دارد. استخراج جهانی ممکن است برای تامین مواد معدنی مورد نیاز که در هر نوع سلول خورشیدی متفاوت است، سازگار شود و به طور بالقوه گسترش یابد. [157] [158] بازیافت پانل های خورشیدی می تواند منبعی برای موادی باشد که در غیر این صورت نیاز به استخراج دارند. [37]

دفع [ ویرایش ]

سلول های خورشیدی با گذشت زمان تخریب می شوند و کارایی خود را از دست می دهند. سلول های خورشیدی در آب و هوای شدید، مانند بیابان یا قطبی، به ترتیب به دلیل قرار گرفتن در معرض نور شدید UV و بارهای برف مستعد تخریب هستند. [159] معمولاً پانل‌های خورشیدی قبل از از کار افتادن، عمری بین 25 تا 30 سال داده می‌شوند. [160]

آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر تخمین زده است که میزان زباله‌های الکترونیکی پنل خورشیدی تولید شده در سال 2016 بین 43500 تا 250000 تن متریک بوده است. تخمین زده می شود که این تعداد تا سال 2030 به میزان قابل توجهی افزایش یابد و به حجم تخمینی زباله 60 تا 78 میلیون تن در سال 2050 برسد. [161]

بازیافت [ ویرایش ]

همچنین ببینید: سلول خورشیدی پروسکایت § بازیافت

پنل های خورشیدی با روش های مختلفی بازیافت می شوند. فرآیند بازیافت شامل یک فرآیند سه مرحله ای، بازیافت ماژول، بازیافت سلولی و حمل زباله، برای شکستن ماژول های Si و بازیابی مواد مختلف است. فلزات بازیافت شده و Si قابل استفاده مجدد در صنعت خورشیدی هستند و 11 تا 12.10 دلار به ازای هر ماژول درآمد ایجاد می کنند با قیمت های امروزی نقره و سی درجه خورشیدی.

برخی از ماژول های خورشیدی (به عنوان مثال: اولین ماژول خورشیدی CdTe خورشیدی) حاوی مواد سمی مانند سرب و کادمیوم هستند که در صورت شکستن، ممکن است به داخل خاک نفوذ کرده و محیط را آلوده کنند. اولین کارخانه بازیافت پنل های خورشیدی در روست فرانسه در سال 2018 افتتاح شد. قرار بود سالانه 1300 تن زباله پنل های خورشیدی بازیافت شود و می تواند ظرفیت خود را تا 4000 تن افزایش دهد. [162] [163] [164]

در سال 2020، اولین ارزیابی جهانی در مورد رویکردهای امیدوارکننده بازیافت ماژول های فتوولتائیک خورشیدی منتشر شد. دانشمندان "تحقیق و توسعه را برای کاهش هزینه های بازیافت و اثرات زیست محیطی در مقایسه با دفع و در عین حال به حداکثر رساندن بازیابی مواد" و همچنین تسهیل و استفاده از تحلیل های فنی-اقتصادی توصیه کردند. علاوه بر این، آنها دریافتند که بازیابی سیلیکون با ارزش بالا نسبت به بازیابی ویفرهای سیلیکونی دست نخورده سودمندتر است، زیرا اولی هنوز نیاز به طراحی فرآیندهای تصفیه برای سیلیکون بازیافتی دارد. [165] [166]اگر بازیافت به جای قوانین زیست‌محیطی، فقط با قیمت‌های مبتنی بر بازار هدایت می‌شود، انگیزه‌های اقتصادی برای بازیافت نامشخص باقی می‌مانند و تا سال 2021، اثرات زیست‌محیطی انواع مختلف تکنیک‌های بازیافت توسعه‌یافته هنوز باید اندازه‌گیری شود. [37]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

پورتال انرژی های تجدیدپذیر

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:43 توسط علی رضا نقش |

6-سلول خورشیدی

رنگهای جاذب نور [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سلول های خورشیدی حساس به رنگ

سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) از مواد ارزان قیمت ساخته شده اند و نیازی به تجهیزات ساخت پیچیده ندارند، بنابراین می توان آنها را به روش DIY ساخت . به طور عمده باید به طور قابل توجهی ارزان تر از طرح های قدیمی سلول های حالت جامد باشد . DSSCها را می‌توان به صورت ورق‌های انعطاف‌پذیر مهندسی کرد و اگرچه راندمان تبدیل آن کمتر از بهترین سلول‌های لایه نازک است ، نسبت قیمت/عملکرد آن ممکن است به اندازه‌ای بالا باشد که به آن‌ها اجازه رقابت با تولید برق با سوخت فسیلی را بدهد .

معمولاً یک رنگ متالارگانیک روتنیم (Ru-centred) به عنوان تک لایه ای از مواد جاذب نور استفاده می شود که بر روی یک لایه نازک دی اکسید تیتانیوم جذب می شود . سلول خورشیدی حساس شده با رنگ به این لایه مزو متخلخل از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO 2 ) برای تقویت سطح (200-300 m 2 / g TiO 2 ) بستگی دارد.
2در مقایسه با تقریباً 10 متر مربع بر گرم تک کریستال مسطح) که امکان تعداد بیشتری رنگ در هر ناحیه سلول خورشیدی را فراهم می کند (که در مدت زمان باعث افزایش جریان می شود). الکترون های تولید شده از رنگ جذب کننده نور به TiO2 نوع n منتقل می شوند
2و سوراخ ها توسط یک الکترولیت در طرف دیگر رنگ جذب می شوند. مدار توسط یک زوج ردوکس در الکترولیت تکمیل می شود که می تواند مایع یا جامد باشد. این نوع سلول امکان استفاده انعطاف‌پذیرتر از مواد را فراهم می‌کند و معمولاً با چاپ روی صفحه یا نازل‌های اولتراسونیک ساخته می‌شود و پتانسیل هزینه‌های پردازش کمتری نسبت به سلول‌های خورشیدی حجیم دارد. با این حال، رنگ‌های موجود در این سلول‌ها نیز تحت گرما و اشعه ماوراء بنفش تخریب می‌شوند و پوشش سلولی به سختی درزبندی می‌شود.به دلیل حلال های مورد استفاده در مونتاژ. به همین دلیل، محققان سلول های خورشیدی حساس به رنگ حالت جامد را توسعه داده اند که از الکترولیت جامد برای جلوگیری از نشت استفاده می کنند. [102] اولین محموله تجاری ماژول های خورشیدی DSSC در جولای 2009 از G24i Innovations رخ داد. [103]

نقاط کوانتومی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سلول خورشیدی نقطه کوانتومی

سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی (QDSCs) بر اساس سلول Gratzel یا معماری سلول های خورشیدی حساس به رنگ هستند ، اما از نانوذرات نیمه هادی با فاصله باند کم استفاده می کنند که با اندازه های کریستالی به اندازه کافی کوچک برای تشکیل نقاط کوانتومی (مانند CdS ، CdSe ، Sb ) ساخته شده اند.
2اس
3، PbS و غیره)، به جای رنگ های آلی یا آلی فلزی به عنوان جاذب نور. به دلیل سمیت مرتبط با ترکیبات مبتنی بر کادمیوم و سرب، یک سری مواد حساس کننده QD سبز نیز در حال توسعه هستند (مانند CuInS 2، CuInSe 2 و CuInSeS). [104] کوانتیزاسیون اندازه QD اجازه می دهد تا شکاف باند با تغییر اندازه ذرات تنظیم شود. همچنین ضریب خاموشی بالایی دارند و امکان تولید اکسایتون های متعدد را نشان داده اند . [105]

در یک QDSC، یک لایه مزو متخلخل از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ، ستون فقرات سلول را تشکیل می دهد، دقیقاً مانند یک DSSC. این TiO
2سپس لایه را می توان با پوشش دادن نقاط کوانتومی نیمه هادی با استفاده از رسوب شیمیایی حمام ، رسوب الکتروفورتیک یا جذب لایه یونی پی در پی و واکنش، فتواکتیو کرد. مدار الکتریکی سپس با استفاده از یک زوج ردوکس مایع یا جامد تکمیل می شود. راندمان QDSCها به بیش از 5 درصد افزایش یافته است [106] که برای سلول های محل اتصال مایع [107] و سلول های حالت جامد، [108] با حداکثر بازده گزارش شده 11.91٪ نشان داده شده است. [109] در تلاش برای کاهش هزینه های تولید، گروه تحقیقاتی پراشانت کامات [110] رنگ خورشیدی ساخته شده با TiO را نشان داد.
2و CdSe که می تواند با استفاده از روش یک مرحله ای برای هر سطح رسانا با بازده بیش از 1٪ اعمال شود. [111] با این حال، جذب نقاط کوانتومی (QDs) در QDSCها در دمای اتاق ضعیف است. [112] نانوذرات پلاسمونیک را می توان برای رسیدگی به جذب ضعیف QD ها (مثلاً نانواستار) مورد استفاده قرار داد . [113] افزودن یک منبع پمپاژ مادون قرمز خارجی برای تحریک انتقال درون باند و بین باند QD ها راه حل دیگری است. [112]

سلول های خورشیدی آلی/پلیمری [ ویرایش ]

مقالات اصلی: سلول خورشیدی آلی و سلول خورشیدی پلیمری

سلول های خورشیدی آلی و سلول های خورشیدی پلیمری از لایه های نازک (معمولاً 100 نانومتر) از نیمه هادی های آلی از جمله پلیمرها مانند پلی فنیلن وینیلن و ترکیبات مولکولی کوچک مانند فتالوسیانین مس (یک رنگدانه آلی آبی یا سبز) و مشتقات کربنی فولرن و فولر ساخته می شوند. به عنوان PCBM .

آنها را می توان از محلول مایع پردازش کرد، که امکان یک فرآیند چاپ رول به رول ساده را فراهم می کند، که به طور بالقوه منجر به تولید ارزان و در مقیاس بزرگ می شود. علاوه بر این، این سلول‌ها می‌توانند برای برخی از کاربردهایی که انعطاف‌پذیری مکانیکی و دور ریختنی مهم هستند، مفید باشند. با این حال، راندمان سلول فعلی بسیار پایین است و دستگاه های عملی اساساً وجود ندارند.

راندمان تبدیل انرژی که تا به امروز با استفاده از پلیمرهای رسانا به دست آمده است در مقایسه با مواد معدنی بسیار پایین است. با این حال، Konarka Power Plastic به بازده 8.3٪ [114] و سلول های پشت سر هم آلی در سال 2012 به 11.1٪ رسید. [ نیازمند منبع ]

منطقه فعال یک دستگاه آلی از دو ماده تشکیل شده است، یک الکترون دهنده و یک گیرنده الکترون. هنگامی که یک فوتون به یک جفت حفره الکترونی تبدیل می‌شود، معمولاً در ماده دهنده، بارها تمایل دارند به شکل یک اکسایتون محدود باقی بمانند و بر خلاف بسیاری از انواع دیگر سلول‌های خورشیدی، هنگامی که اکسایتون به سطح مشترک گیرنده-دهنده منتشر می‌شود، جدا می‌شوند. طول کوتاه انتشار اکسایتون اکثر سیستم های پلیمری باعث محدود شدن کارایی چنین دستگاه هایی می شود. رابط های نانوساختار، گاهی اوقات به شکل اتصالات ناهمگون حجیم، می توانند عملکرد را بهبود بخشند. [115]

در سال 2011، محققان MIT و ایالت میشیگان سلول های خورشیدی را با راندمان انرژی نزدیک به 2٪ با شفافیت چشم انسان بیش از 65٪ توسعه دادند که با جذب انتخابی بخش های فرابنفش و نزدیک به مادون قرمز طیف با ترکیبات مولکولی کوچک به دست آمد. . [116] [117] محققان UCLA اخیراً یک سلول خورشیدی پلیمری مشابه را با پیروی از همان رویکرد توسعه دادند که 70٪ شفاف است و بازده تبدیل توان 4٪ دارد. [118] [119] [120] این سلول های سبک وزن و انعطاف پذیر را می توان به صورت عمده با هزینه کم تولید کرد و می توان از آنها برای ایجاد پنجره های تولید برق استفاده کرد.

در سال 2013، محققان سلول های پلیمری را با راندمان 3 درصد اعلام کردند. آنها از کوپلیمرهای بلوک ، مواد آلی خودآرایی که خود را در لایه های مجزا مرتب می کنند، استفاده کردند. این تحقیق بر روی P3HT-b-PFTBT متمرکز شد که به نوارهایی به عرض حدود 16 نانومتر جدا می شود. [121] [122]

سلول های تطبیقی [ ویرایش ]

سلول های تطبیقی بسته به شرایط محیطی ویژگی های جذب/بازتاب خود را تغییر می دهند. یک ماده تطبیقی به شدت و زاویه تابش نور پاسخ می دهد. در قسمتی از سلول که نور شدیدتر است، سطح سلول از بازتابی به تطبیقی تغییر می کند و به نور اجازه می دهد تا به سلول نفوذ کند. سایر قسمت‌های سلول بازتابنده باقی می‌مانند و باعث حفظ نور جذب شده در سلول می‌شوند. [123]

در سال 2014، سیستمی توسعه یافت که یک سطح تطبیقی را با یک بستر شیشه ای ترکیب می کرد که جذب شده را به یک جاذب نور در لبه های ورق هدایت می کرد. این سیستم همچنین شامل مجموعه‌ای از لنزها/آینه‌های ثابت برای تمرکز نور بر روی سطح تطبیقی است. با ادامه روز، نور متمرکز در امتداد سطح سلول حرکت می کند. این سطح زمانی که نور بیشتر متمرکز است از بازتابی به تطبیقی تغییر می کند و پس از حرکت نور به حالت بازتابی باز می گردد. [123]

بافت سطح [ ویرایش ]

هواپیماهای Solar Impulse هواپیماهای تک سرنشینه طراحی سوئیس هستند که به طور کامل از سلول های فتوولتائیک انرژی می گیرند.

در سال‌های گذشته، محققان تلاش کرده‌اند تا قیمت سلول‌های خورشیدی را کاهش دهند و بازده را به حداکثر برسانند. سلول خورشیدی لایه نازک یک سلول خورشیدی نسل دوم مقرون به صرفه با ضخامت بسیار کاهش یافته به هزینه جذب نور است. تلاش هایی برای به حداکثر رساندن راندمان جذب نور با کاهش ضخامت انجام شده است. بافت سطحی یکی از تکنیک هایی است که برای کاهش تلفات نوری برای به حداکثر رساندن نور جذب شده استفاده می شود. در حال حاضر، تکنیک های بافت سطح در فتوولتائیک های سیلیکونی توجه زیادی را به خود جلب کرده است. بافت سطحی را می توان به روش های مختلفی انجام داد. اچ کردن بستر سیلیکونی تک کریستالی می‌تواند با استفاده از اچ‌کننده‌های ناهمسانگرد، اهرام مربعی به‌طور تصادفی بر روی سطح تولید کند. [124]مطالعات اخیر نشان می‌دهد که ویفرهای c-Si می‌توانند برای تشکیل هرم‌های معکوس در مقیاس نانو حک شوند. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی چند کریستالی، به دلیل کیفیت کریستالوگرافی ضعیف‌تر، نسبت به سلول‌های خورشیدی تک کریستالی کارایی کمتری دارند، اما سلول‌های خورشیدی mc-Si به دلیل مشکلات کمتر ساخت، همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. گزارش شده است که سلول های خورشیدی چند کریستالی را می توان با بافت سطحی به منظور ایجاد راندمان تبدیل انرژی خورشیدی قابل مقایسه با سلول های سیلیکونی تک کریستالی، از طریق روش های حکاکی ایزوتروپیک یا فوتولیتوگرافی، بافت کرد. [125] [126]پرتوهای نوری برخوردی بر روی سطح بافتی، برخلاف پرتوهای روی سطح صاف، به هوا بازتاب نمی‌کنند. بلکه برخی از پرتوهای نور به دلیل هندسه سطح دوباره به سطح دیگر منعکس می شوند. این فرآیند به دلیل افزایش جذب نور، راندمان تبدیل نور به برق را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. این اثر بافت و همچنین تعامل با سایر رابط‌ها در ماژول PV یک کار شبیه‌سازی نوری چالش برانگیز است. یک روش کارآمد برای مدل‌سازی و بهینه‌سازی، فرمالیسم OPTOS است . [127] در سال 2012، محققان MIT گزارش دادند که فیلم‌های c-Si بافت‌دار با هرم‌های معکوس در مقیاس نانو می‌توانند به جذب نور قابل مقایسه با c-Si مسطح 30 برابر ضخیم‌تر دست یابند. [128] در ترکیب باپوشش ضد انعکاس ، تکنیک بافت سطحی می تواند به طور موثر پرتوهای نور را در یک سلول خورشیدی سیلیکونی لایه نازک به دام بیندازد. در نتیجه، ضخامت مورد نیاز برای سلول های خورشیدی با افزایش جذب پرتوهای نور کاهش می یابد.

کپسولاسیون [ ویرایش ]

سلول‌های خورشیدی معمولاً در یک رزین پلیمری شفاف محصور می‌شوند تا از نواحی ظریف سلول‌های خورشیدی برای تماس با رطوبت، خاک، یخ و سایر شرایط مورد انتظار در حین کار یا هنگام استفاده در خارج از منزل محافظت کنند. کپسولان ها معمولا از پلی وینیل استات یا شیشه ساخته می شوند. بیشتر کپسول‌کننده‌ها از نظر ساختار و ترکیب یکنواخت هستند، که به دلیل به دام افتادن نور از بازتاب داخلی نور در داخل رزین، جمع‌آوری نور را افزایش می‌دهد. تحقیقاتی در مورد ساختار محصورکننده برای فراهم کردن جمع آوری بیشتر نور انجام شده است. چنین کپسوله‌هایی شامل سطوح شیشه‌ای زبر، [129] عناصر پراش، [130] آرایه‌های منشوری، [131] منشورهای هوا، [132]v-grooves، [133] عناصر پراکنده، و همچنین آرایه های موجبر چند جهته. [134] آرایه های منشوری افزایش کلی 5 درصدی در تبدیل کل انرژی خورشیدی را نشان می دهند. [132] آرایه‌های موجبرهای باند پهن با تراز عمودی، 10 درصد افزایش در بروز معمولی، و همچنین افزایش جمع‌آوری زاویه باز تا 4 درصد، [135] با ساختارهای بهینه‌شده که تا 20 درصد افزایش در جریان اتصال کوتاه ایجاد می‌کنند، فراهم می‌کنند. [136] پوشش‌های فعالی که نور مادون قرمز را به نور مرئی تبدیل می‌کنند، 30 درصد افزایش نشان داده‌اند. [137]پوشش‌های نانوذراتی که پراکندگی نور پلاسمونیک را القا می‌کنند، بازده تبدیل زاویه باز را تا 3 درصد افزایش می‌دهند. ساختارهای نوری نیز در مواد کپسوله‌سازی ایجاد شده‌اند تا به‌طور مؤثری کنتاکت‌های جلوی فلزی را بپوشانند. [138] [139]

تعمیر و نگهداری مستقل [ ویرایش ]

این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( نوامبر 2021 )

مکانیسم های جدید خود تمیز شونده برای پانل های خورشیدی در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، در سال 2019 از طریق نانوسیم‌های حکاکی شده با مواد شیمیایی مرطوب و یک پوشش آبگریز بر روی قطرات آب سطحی می‌توان 98 درصد ذرات گرد و غبار را حذف کرد، که ممکن است به‌ویژه برای کاربرد در صحرا مهم باشد. [140] [141]

+ نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:41 توسط علی رضا نقش |

مطالب قدیمی‌تر