การจัดตำแหน่งดังกล่าวถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอุปกรณ์ขนาดชิปที่ใช้การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากจุดควอนตัมเพื่อจัดเก็บและส่งข้อมูลควอนตัม
นับเป็นครั้งแรกที่นักวิจัยของ NIST ได้รับความแม่นยำในระดับนี้ทั่วทั้งภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ทำให้สามารถแก้ไขตำแหน่งของจุดควอนตัมแต่ละจุดได้
แบบจำลองที่พัฒนาโดยนักวิจัยคาดการณ์ว่าหากมีการสอบเทียบกล้องจุลทรรศน์โดยใช้มาตรฐานใหม่ จำนวนอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูงก็จะเพิ่มขึ้นได้มากถึงร้อยเท่า
ความสามารถใหม่ดังกล่าวอาจทำให้เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมที่ค่อยๆ เกิดขึ้นจากห้องปฏิบัติการวิจัยได้รับการศึกษาอย่างน่าเชื่อถือและพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
อุปกรณ์ที่จับแสงจากจุดควอนตัมนับล้าน รวมถึงเลเซอร์ขนาดชิปและเครื่องขยายสัญญาณออปติคอล ได้เปลี่ยนจากการทดลองในห้องปฏิบัติการไปเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์
แต่อุปกรณ์ควอนตัมดอทรุ่นใหม่ออกสู่ตลาดได้ช้ากว่า เนื่องจากพวกมันต้องการการจัดตำแหน่งที่แม่นยำเป็นพิเศษระหว่างจุดแต่ละจุดกับออปติกขนาดเล็กที่จะแยกและนำทางรังสีที่ปล่อยออกมา
ในการพัฒนาวิธีการของพวกเขา Craig Copeland, Samuel Stavis และผู้ร่วมงาน รวมถึงเพื่อนร่วมงานจาก Joint Quantum Institute (JQI) ซึ่งเป็นความร่วมมือด้านการวิจัยระหว่าง NIST และ University of Maryland ได้สร้างมาตรฐานและการสอบเทียบที่สามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยัง International System of Units (SI) สำหรับกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ใช้เป็นแนวทางในการจัดตำแหน่งของจุดควอนตัม
“แนวคิดที่ดูเรียบง่ายในการค้นหาจุดควอนตัมและวางส่วนประกอบโฟโตนิกลงไปนั้น กลายเป็นปัญหาการวัดที่ยุ่งยาก” โคปแลนด์กล่าว
ในการวัดโดยทั่วไป ข้อผิดพลาดเริ่มสะสมในขณะที่นักวิจัยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเพื่อค้นหาตำแหน่งของจุดควอนตัมแต่ละจุด ซึ่งอยู่ในตำแหน่งสุ่มบนพื้นผิวของ สารกึ่งตัวนำ วัสดุ. หากนักวิจัยเพิกเฉยต่อการหดตัวของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่อุณหภูมิเย็นจัดซึ่งจุดควอนตัมทำงาน ข้อผิดพลาดก็จะใหญ่ขึ้น เรื่องที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ข้อผิดพลาดในการวัดเหล่านี้ประกอบขึ้นจากความไม่ถูกต้องในกระบวนการผลิตที่นักวิจัยใช้เพื่อสร้างมาตรฐานการสอบเทียบ ซึ่งส่งผลต่อการจัดวางส่วนประกอบโฟโตนิกด้วย
วิธีการ NIST ซึ่งนักวิจัยได้อธิบายไว้ในบทความที่โพสต์ทางออนไลน์ ออพติก้าควอนตัม วันที่ 18 มีนาคม ระบุและแก้ไขข้อผิดพลาดที่ถูกมองข้ามไปก่อนหน้านี้
เครดิต: เอส. เคลลีย์/NIST
ทีมงาน NIST ได้สร้างมาตรฐานที่ตรวจสอบย้อนกลับได้สองประเภทเพื่อสอบเทียบกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ขั้นแรกที่อุณหภูมิห้องเพื่อวิเคราะห์กระบวนการผลิต และจากนั้นที่อุณหภูมิแช่แข็งเพื่อวัดตำแหน่งของจุดควอนตัม จากงานก่อนหน้านี้ มาตรฐานอุณหภูมิห้องประกอบด้วยรูขนาดนาโนหลายชุดที่เว้นระยะห่างกันในฟิล์มโลหะ
จากนั้นนักวิจัยก็วัดตำแหน่งที่แท้จริงของหลุมด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม เพื่อให้แน่ใจว่าตำแหน่งดังกล่าวสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยัง SI ได้ เมื่อเปรียบเทียบตำแหน่งที่ปรากฏของรูเมื่อมองด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงกับตำแหน่งจริง นักวิจัยได้ประเมินข้อผิดพลาดจากการสอบเทียบกำลังขยายและการบิดเบือนภาพของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ปรับเทียบแล้วสามารถใช้เพื่อวัดมาตรฐานอื่นๆ ที่นักวิจัยประดิษฐ์ขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ความแม่นยำและความแปรปรวนของกระบวนการทางสถิติได้
“สถิติที่ดีมีความสำคัญต่อทุกลิงก์ในห่วงโซ่การตรวจสอบย้อนกลับ” Adam Pintar นักวิจัยของ NIST ผู้ร่วมเขียนบทความกล่าว
ทีมวิจัยได้ขยายวิธีการของพวกเขาไปสู่อุณหภูมิต่ำโดยปรับเทียบกล้องจุลทรรศน์แบบออพติคัลแบบเย็นพิเศษสำหรับถ่ายภาพจุดควอนตัม เพื่อทำการสอบเทียบนี้ ทีมงานได้สร้างมาตรฐานกล้องจุลทรรศน์ใหม่ ซึ่งเป็นเสาเรียงแถวที่ประดิษฐ์บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน นักวิทยาศาสตร์ทำงานร่วมกับซิลิคอนเนื่องจากมีการวัดการหดตัวของวัสดุที่อุณหภูมิต่ำอย่างแม่นยำ
นักวิจัยค้นพบข้อผิดพลาดหลายประการในการปรับเทียบกำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแบบไครโอเจนิก ซึ่งมีแนวโน้มที่จะมีการบิดเบือนของภาพที่แย่กว่ากล้องจุลทรรศน์ที่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง
ความไม่สมบูรณ์ทางแสงเหล่านี้ทำให้ภาพของเส้นตรงโค้งงอจนทำให้การปรับเทียบยืดออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากไม่ได้รับการแก้ไข การบิดเบือนของภาพจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดอย่างมากในการกำหนดตำแหน่งของจุดควอนตัมและการจัดแนวจุดภายในเป้าหมาย ท่อนำคลื่น หรืออุปกรณ์ควบคุมแสงอื่นๆ
“ข้อผิดพลาดเหล่านี้น่าจะทำให้นักวิจัยไม่สามารถประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ทำงานตามที่คาดการณ์ไว้” นักวิจัยของ NIST Marcelo Davanco ผู้เขียนร่วมของบทความกล่าว
นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองโดยละเอียดของข้อผิดพลาดในการวัดและการผลิตในการรวมจุดควอนตัมเข้ากับส่วนประกอบโฟโตนิกระดับชิป
พวกเขาศึกษาว่าข้อผิดพลาดเหล่านี้จำกัดความสามารถของอุปกรณ์ควอนตัมดอทในการทำงานตามที่ออกแบบไว้อย่างไร โดยค้นหาศักยภาพในการปรับปรุงร้อยเท่า