NIST bilim insanları, 'herhangi bir dalga boyunda' lazer geliştirdi

• Entegre fotonik çip içinde tek bir lazer rengini çeşitli görünür ışık ve kızılötesi dalga boylarına dönüştüren ve yalnızca devre tasarımıyla birbirinden farklı özgün dalga boyları üreten bir yapı gerçekleştirildi
• Silikon wafer üzerinde lityum niyobat ve tantala 3 boyutlu olarak istiflendi; böylece ışık rengi dönüşümü ile elektriksel kontrol aynı çipte birlikte işlenebildi
• Kuantum saatleri ve kuantum bilgisayarlar her atom için uygun belirli lazer renklerine ihtiyaç duyuyor; ancak mevcut ekipmanların hacmi, maliyeti ve güç tüketimi sahada kullanım için büyük bir kısıt oluşturuyor
• Tek bir wafer üzerine tırnak büyüklüğünde yaklaşık 50 çip ve toplam 10 bin fotonik devre entegre edildi; her devre farklı bir renk üretiyor ve laboratuvarda kızılötesini görünür ışığa dönüştürdüğü doğrulandı
• Ucuz ve taşınabilir foton tabanlı sistemlere gidebilecek bir üretim yolu açılması, yalnızca kuantum teknolojileri için değil, AI çipleri arası iletişim ve sanal gerçeklik ekranları gibi alanlarda da kullanımın genişleyebileceğini gösteriyor

---

Entegre fotonik devrelerde ilerleme

• Silikon wafer üzerine özel malzemelerin karmaşık desenlerle katmanlanmasıyla, elektronik çipler gibi ışığı taşıyıp bilgiyi işleyen fotonik çipler geliştiriliyor
  • Bu çipler, lazerler, dalga kılavuzları, filtreler ve anahtarlar gibi optik bileşenlerle ışığı devre içinde ileten ve işleyen bir yapıya sahip
  • Yapay zeka, kuantum bilgisayarlar ve optik atom saatleri gibi yükselen teknolojilere katkı sağlayabilir
• Elektronlar yerine fotonlar kullanan devreler, bilgi iletimi ve işlemede elektriğe göre farklı özellikler taşıyor
  • Fotonlar devreden geçerken elektronlardan çok daha hızlı hareket ediyor
  • Lazer ışığı, optik atom saatleri ve kuantum bilgisayarlar gibi kuantum teknolojilerinin kontrolü için temel bir unsur
• Entegre fotoniğin yaygınlaşmasının önündeki başlıca engellerden biri lazer dalga boyu sınırlaması
  • Yüksek kaliteli, küçük ve yüksek verimli lazerler yalnızca az sayıdaki dalga boyunda mevcut
  • Yarı iletken lazerler 980 nanometre kızılötesi üretmek için çok uygun; bu renk insanın görme aralığının hemen dışında kalıyor
• Optik atom saatleri ve kuantum bilgisayarlar ise çok sayıda farklı renkte lazere ihtiyaç duyuyor
  • Bu renkleri üreten mevcut lazerler büyük, pahalı ve yüksek güç tüketimli olduğundan, bu kuantum teknolojileri fiilen az sayıdaki özel amaçlı laboratuvarla sınırlı kalıyor
• Lazerlerin çip devrelerine entegre edilmesi, daha ucuz ve taşınabilir kuantum teknolojilerine geçiş beklentisi yaratıyor
  • Böylece laboratuvar dışındaki gerçek uygulamalara yayılma olasılığı artıyor

Çok katmanlı istifleme yaklaşımı

• Yeni fotonik çip katman katman yığılmış bir yapı ile üretildi
  • Başlangıç noktası; silikon, silisyum dioksit (cam) ve gelen ışığın rengini değiştirebilen lityum niyobat ile kaplı standart bir silikon wafer
• Metal parçalar eklenerek, devrenin bir renkteki ışığı başka bir renge dönüştürme biçimi elektriksel olarak kontrol edilebilir hale getirildi
  • Ayrı bir metal-lityum niyobat arayüzü oluşturularak, devre içinde ışığın hızlıca açılıp kapanması sağlandı
  • Bu yetenek, veri işleme ve yüksek hızlı yönlendirme için temel unsurlardan biri
• En üst katmanda ikinci bir doğrusal olmayan malzeme olan tantalum pentoksit (tantala) kullanıldı
  • Tantala, tek bir lazer rengini giriş olarak alıp bunu görünür ışığın tüm gökkuşağı renklerine ve geniş bir kızılötesi dalga boyu aralığına dönüştürebiliyor
  • Bu malzemeyi ısıtmadan devre halinde üretme tekniği yıllar içinde geliştirildi; böylece başka malzemeler üzerine zarar vermeden biriktirilebiliyor
• Farklı malzemeler 3 boyutlu istifleme ile desenlenerek, katmanlar arasında ışığı verimli biçimde yönlendiren tek bir çip üretildi
  • Böylece tantalanın ışık dönüştürme yeteneği ile lityum niyobatın kontrol kabiliyeti birleşti
  • Tantalanın mevcut devrelere eklenebilmesi, yaklaşımın temel güçlü yanlarından biri
• Tek bir wafer üzerine yaklaşık tırnak büyüklüğünde 50 çip ve toplam 10 bin fotonik devre entegre edildi
  • Her devre kendine özgü farklı bir renk üretiyor
  • Çeşitli renkler yalnızca devre tasarımıyla üretilebiliyor

Dalga boyuna göre özelleştirilmiş lazer ihtiyacı

• Kuantum saatleri ve kuantum bilgisayarlar, bilgiyi depolamak ve işlemek için çoğu zaman atom dizilerini kullanıyor
  • Her atom türü, kendi iç kuantum enerji seviyelerine uygun lazerlere ihtiyaç duyuyor
• Rubidyum atomları 780 nanometrelik kırmızı ışığa tepki veriyor
  • Bu, kuantum bilgisayarlar ve saatlerde yaygın kullanılan atomlara bir örnek
• Stronsiyum atomları 461 nanometrelik mavi ışığa tepki veriyor
  • Başka bir renk verildiğinde hiçbir tepki oluşmuyor
• Bu tür özelleştirilmiş renkleri üreten mevcut lazerlerin hacmi, maliyeti ve karmaşıklığı, kuantum bilgisayarlar ile optik saatlerin sahaya konuşlandırılmasının önündeki başlıca engellerden biri
  • Laboratuvar dışı ortamlara taşınmalarını ciddi biçimde kısıtlıyor

Olası kullanım alanları

• Ucuz, düşük güç tüketimli ve taşınabilir optik saatler birçok alanda potansiyel kullanım sunabilir
  • Volkan patlamaları ve depremlerin öngörülmesine yardımcı olabilir
  • Konum belirleme ve navigasyonda GPS'e alternatif olabilir
  • Karanlık maddenin doğası gibi bilimsel gizemlerin araştırılmasını destekleyebilir
• Kuantum bilgisayarlar, ilaçlar ile malzemelerin fizik ve kimyasını araştırmak için yeni yaklaşımlar sunabilir
• Entegre fotonik devrelerin kullanım alanı yalnızca kuantum teknolojileriyle sınırlı değil
  • Teknoloji şirketlerinin kullandığı özel çipler arasında sinyallerin verimli biçimde aktarılmasına yardımcı olabilir
  • AI tabanlı araçların daha güçlü ve verimli hale gelmesine katkı sağlayabilir
• Teknoloji şirketleri, fotoniği sanal gerçeklik ekranlarını iyileştirmek için kullanmaya da ilgi gösteriyor

Ticarileşme yolu

• Mevcut çip henüz seri üretime hazır değil
  • Ancak kullanılan üretim tekniği, bundan sonrası için bir yol haritası sunuyor
• Teknolojiyi ölçeklendirmek için Octave Photonics ile iş birliği yürütülüyor
  • Colorado eyaletinin Louisville kentinde bulunan bir startup
  • Eski NIST araştırmacıları tarafından kuruldu ve teknolojinin ölçek büyütme çalışmaları sürüyor

Görsel ve deneysel özellikler

• Tırnak büyüklüğündeki küçük dikdörtgen çip içinde lazer ışığının rengini değiştiren çok sayıda devre entegre edildi
  • Fotoğrafta görünmeyen kızılötesini görünür mavi ışığa dönüştüren devrelerden biri gösteriliyor
  • Boyut karşılaştırması için dime madeni parası kullanıldı
• Doğrusal olmayan optik tabanlı çip, onlarca farklı renkte lazeri içerebilir
• Laboratuvarda çipin görünmeyen ışığı alıp çok sayıda görünür ışık üretmesi doğrulandı
  • Bu, tek bir entegre çip içinde çeşitli uygulama olasılıklarını sezgisel biçimde gösteriyor

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Sadece macenta ya da kahverengiden bahsetmekle kalmayalım; lazer olmadan da şu anda illüzyon renkleri görmek mümkün. Bu yazıyı takip ederseniz hiper turkuaz benzeri bir renk görme deneyimi yaşayabiliyorsunuz

  • Renk ve ışığın frekansı kavramının kendisini gerçekten büyüleyici buluyorum. Sonuçta ışık sadece fiziksel bir sinyal, ama bizim algıladığımız rengin öznel deneyimi bundan çok daha zengin. Benim gördüğüm kırmızıyla başka birinin hissettiği kırmızı aslında farklı olabilir, ama ikimiz de ona kırmızı deyip ateş, aşk, sıcaklık ve tehlike gibi anlamlarla ilişkilendiriyoruz; bence özellikle ilginç olan nokta bu
  • Renkler hakkında yeni bir şey öğrendiğim her gün benim için iyi bir gündür. En sevdiğim renk bilgisi, tek renkli bir pembe ışığın diye bir şey olmamasıdır. Pembe, görünür spektrumun iki ucundaki kırmızımsı ve morumsu tonların karışımıyla oluşur; yani teknik olarak gökkuşağında pembe yoktur
  • Bende oküler/retinal migren var; bu yüzden buna sahip kişiler için yazıdaki görsel deneylerin pek iyi olmayabileceğini önceden söylemek isterim
  • Yazıda “noktaya bakmaya devam et, 1 dakika yeter” dendiği için denedim ama açıkçası bana zaman kaybı gibi geldi
  • Bunun, acid ile trip sırasında görülen şeyleri kısmen açıkladığını hissettim

• Haberde geçen “fotonlar devrelerden elektronlardan çok daha hızlı geçer” türü ifadenin biraz yanıltıcı olabileceğini düşünüyorum. Elektronların kendisi ışık hızında hareket etmese de, elektriksel bilginin iletimi zaten ışık hızına yakın gerçekleşiyor. Bu yüzden hesaplama performansındaki kazanımın gecikmeden çok bant genişliği tarafında olmasının daha olası olduğunu düşünüyorum

  • Benim anlayışıma göre elektrik devrelerinde bilgi, elektron yığınının bizzat koşmasıyla değil, elektrik alanı üzerinden iletiliyor ve bunun yayılma hızı ışık hızına yakın
  • Bildiğim kadarıyla Cat6 kablo yaklaşık 0.6c düzeyinde, kablo türüne göre biraz daha hızlı da olabiliyor. Fiber optikte de çekirdeğin kırılma indisi nedeniyle ışığın hızı yaklaşık 0.6c seviyesinde

• Burada sözü edilen photonic computingin gerçekten somut bir karşılığı olup olmadığını, birinin basitçe açıklamasını isterdim

  • Bana göre hemen görülen bazı avantajlar var. Optik iletişimde birçok farklı ışık rengi tek bir fibere çok daha fazla sayıda sığdırılabiliyor ve her renkte onlarca GHz modülasyon taşınabildiği için hâlâ kullanılmayan muazzam bir bant genişliği var. Ayrıca lazer dalga boylarını hassas biçimde ayarlayabilmek, belirli bağlanma enerjilerine uygun moleküler kimya yapılmasını mümkün kılabilir; lazer kesim ve kaynakta da daha verimli dalga boyları seçilerek ilerleme sağlanabilir gibi görünüyor
  • Bence kilit nokta, istenen optik frekansı üreten bileşenlerin nasıl üretileceğini bulmuş olmaları. Şimdiye kadar bir çipe konabilecek kadar ucuz, küçük ve verimli lazerler yalnızca bazı dalga boylarında mümkündü; yani bu kısıt gevşiyor. Haberin anlatımı biraz abartılı, ama makalede verimlilik rakamları da var; örneğin 485nm'de 35mW girip 6mW çıkış elde etmek gibi. Özellikle çok modlu optik iletişimde daha fazla frekans kullanarak bant genişliğini artırma ya da cihazları daha küçük, daha ucuz ve daha verimli hâle getirme ihtimali var gibi duruyor
  • Bunu genel olarak temel araştırma gibi görüyorum. Gerçek sorunları çözmekte kullanılmadan önce ne kadar değerli olacağını önceden tahmin etmek neredeyse imkânsız. Çok soyut matematik bile sonradan dev endüstrilere dönüşebildi. Yine de lazer dalga boyu kontrolü modern iletişim teknolojisinin merkezinde olduğu için, bu tekniğin tamamen işe yaramaz çıkacağını sanmıyorum
  • Bana göre bu, aslında kuantum hesaplama için daha doğrudan önemli olabilir. İyon tuzaklarında hangi iyonun seçileceği, sonuçta hangi dalga boylarını kararlı biçimde üretebildiğinizle bağlantılı; bugün seçimler, modifiye telecom lazerleriyle rahatça elde edilebilen dalga boylarına kayıyor. Eğer lazer dalga boylarını bu kadar serbest ayarlamak mümkün olursa, bu kısıt ortadan kalkabilir ve farklı özelliklere sahip iyonlar seçilebilir
  • Bu alanın uzmanı değilim ama birkaç temel koşul olduğunu düşünüyorum. Önce istenen dalga boyunu üretebilmek gerekiyor; sonra o dalga boyunu hassas biçimde ölçebilmek ve ayrıca frekansa fazla duyarlı olmayan holografik kapılar gibi şeyler de gerekebilir. Bunlar sağlanırsa, hesaplama kapasitesini nihayetinde farklı dalga boylarını ayırt etme yeteneği belirleyecek gibi görünüyor. Teorik olarak, çok daha fazla hesaplama yapılmış olsa bile bunları algılayamama noktasına gidebilirsiniz; bu da işi epey felsefi sorulara götürüyor

• Nihai maliyet makul olduğu sürece bunun iyon tuzağı kuantum hesaplama için kesinlikle sevindirici bir gelişme olduğunu düşünüyorum. İyonları hapsetmek için gereken lazer dalga boyları seçilen moleküle ya da türe göre değişiyor ve mevcut ekipmanlar pahalı, hassas, ayarlaması zor; boya lazerleri kullanıldığında da epey uğraştırıcı olabiliyor

  • Bence bu nötr atom tarafı için de geçerli. Atomları Rydberg durumuna pompalamak için oldukça temiz bir ışık gerekiyor

• Gelecekte RGB ana renklerinin üçgen renk gamına hapsolmayan, ana renkleri dinamik olarak değişip neredeyse tüm renkleri gösterebilen yeni ekranlar çıkarsa gerçekten çok heyecan verici olurdu

  • Ben sadece tüm renkleri istiyorum. Mümkünse doğrudan tam spektral dağılımı versinler
  • Fikir harika ama o durumda görüntü verisinin nasıl kodlanacağını merak ettim

• Orijinal makalenin burada olduğunu paylaşmak istedim

• Başlığın biraz yanıltıcı olduğunu düşünüyorum. Bu, gerçekten genel amaçlı bir hesap makinesinden ziyade, entegre optikte lazer giriş frekansı üzerinde çeşitli doğrusal olmayan optik etkiler kullanarak bir tür işlem yapma meselesi gibi görünüyor

  • Ben buna tamamen öyle bakmıyorum. Deneyde gösterilen şey, pratikte “neredeyse her dalga boyunu” kapsayan bir supercontinuum source ve bunun entegre bir çip üzerinde gerçekleştirilmiş olması bile başlı başına oldukça etkileyici bence

• Elektronların çipten akıllı cihazlara ulaşmasının 60 yıl sürdüğünü düşününce, fotonlar da benzer bir yol izleyecekse biz daha ancak başlangıç işaretini vermiş sayılırız gibi geliyor. Özellikle tantalanın tek bir lazer rengi girdisini neredeyse tüm gökkuşağına yayması gerçekten çok ilginç

• ABD Donanması'nın uzun zamandır bir tür kutsal kâse gibi gördüğü free electron laser üzerinde çalıştığını hatırladım. İlgili bir örnek Boeing basın bülteninde görülebilir

• “Gerçekten herhangi bir dalga boyunda çalışan lazer” dendiğinde insanın aklına sonunda gamma-ray laser gibi şeyler de geliyor. Pratikte kolay değil ama olsa ne güzel olurdu

  • Bu sayede buna gerçekten graser dendiğini de öğrenmiş oldum. Öte yandan biraz da bilimkurgu okuru refleksiyle, bu terimin bir gün kütleçekim dalgası osilatörü gibi bir şey için ayrılmış olmasını isterdim