Quantum

Dialog vom 29. August 2023

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von Kosala Herath und Malin Premaratne

Die Nachfrage nach schneller Datenfreigabe und -verarbeitung hat einen Wettlauf um mehr Bandbreite in drahtlosen Kommunikationssystemen ausgelöst. Dies wird durch das Edholmsche Gesetz beschrieben, das besagt, dass sich Bandbreite und Datenraten alle anderthalb Jahre etwa verdoppeln. Da unsere drahtlosen Netzwerke an ihre Grenzen stoßen, veranlasst das Streben nach noch schnelleren Datenraten Forscher dazu, Neuland zu erkunden: höhere Frequenzbänder wie Millimeterwellen, Terahertz und optische Frequenzen.

Während Millimeterwellenlängen in drahtlosen Systemen mit kurzer Reichweite übernommen wurden, werden für zukünftige Anforderungen mehr benötigt. Optische drahtlose Kommunikation bietet eine hohe Bandbreite, steht jedoch aufgrund von Sicherheitsvorschriften und Lärmproblemen vor Herausforderungen. Die Terahertz-Kommunikation könnte unglaublich schnelle Datenraten für alltägliche Anwendungen liefern, sogar für Anwendungen im Chip-Maßstab wie integrierte Mikroprozessoren.

Moderne Computer basieren stark auf Multicore-Prozessoren – Miniaturgeräten mit mehreren Verarbeitungseinheiten. In letzter Zeit haben Hersteller die Leistung verbessert, indem sie mehr Prozessoreinheiten hinzugefügt und Chipsysteme kleiner gemacht haben. Dies hat dazu geführt, dass die Anzahl der einzelnen Rechenteile auf kleinem Raum erheblich zugenommen hat und die Verbindungen zwischen ihnen komplexer geworden sind. Die herkömmliche Art der Verbindung dieser Teile ist jedoch ineffizient und kann das System verlangsamen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, ergibt sich eine spannende Lösung: die Verwendung drahtloser Kommunikationsmethoden, die im Terahertz-Bereich arbeiten. Mit diesen Methoden können schnelle und effiziente drahtlose Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems hergestellt werden. Die effektive Implementierung dieser Technologien erfordert jedoch die Integration verschiedener Komponenten zur Signalverarbeitung auf der Empfängerseite des Systems. Dabei geht es um die entscheidende Aufgabe, Informationen aus dem übertragenen Signal zu erkennen und zu dekodieren. Darüber hinaus stellt die Ausrichtung der Empfängerantenne auf die spezifische Wellenlänge des Terahertz-Trägersignals eine Schwierigkeit dar, den Empfänger kompakt zu machen.

Infolgedessen führt der aktuelle Ansatz häufig zu sperrigen, schweren und unzuverlässigen Empfängern. Diese Einschränkung hat Forscher dazu veranlasst, sich auf die Entwicklung innovativer Empfängertechnologien zu konzentrieren, die nicht nur klein und leicht sind, sondern auch weniger Strom verbrauchen.

Unser Forschungsteam hat einen umfassenden theoretischen Rahmen vorgestellt: einen Terahertz-Signaldetektor und -Demodulator im Quantenmaßstab. Dieser innovative Ansatz nutzt das Quantenverhalten von Ladungsträgern bei intensiver periodischer Ansteuerung. Unsere Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physica Scripta veröffentlicht.

Im Bereich der Physik der kondensierten Materie ist die Nutzung von Licht-Materie-Wechselwirkungen, um Quantenmaterialien in Zustände fernab des Gleichgewichts zu treiben, von entscheidender Bedeutung für die Entdeckung neuer Quantenphasen, die im Gleichgewichtszustand unzugänglich bleiben. Unter den häufig zitierten Methoden sticht das Floquet-Engineering hervor. Diese Technik ermöglicht es Forschern, viele neuartige Quantenzustände zu erforschen, die entstehen, wenn ein System starker, zeitlich periodischer Strahlung ausgesetzt wird [1, 2, 3].

Dank der Floquet-Technik haben wir gezeigt, dass die Leitfähigkeit eines zweidimensionalen Halbleiter-Quantentopfs innerhalb eines bestimmten Bereichs linear mit der Frequenz der angelegten Strahlung verknüpft ist. Die Grundlage unserer Erkenntnisse liegt im Verständnis, dass die elektrische Leitfähigkeit eines zweidimensionalen Halbleiters verbessert wird, wenn er periodischen Ansteuerungen ausgesetzt wird.

Diese Verstärkung erfolgt aufgrund der Änderung der Elektronenwellenfunktionen durch das angelegte Feld, was zu einer Verringerung der Streuwahrscheinlichkeit von Elektronenverunreinigungen führt [4]. Diese Entdeckung ebnet den Weg für einen drahtlosen Quantenempfänger, der frequenzmodulierte drahtlose Daten im kleinsten Maßstab erkennen und aussortieren kann.

Auf der Grundlage dieses Durchbruchs haben wir numerische Simulationen durchgeführt, die die Machbarkeit der Entwicklung eines drahtlosen Quantenfrequenzdemodulators im Terahertz-Bereich für die drahtlose Kommunikation über kurze Entfernungen belegen. Unsere Untersuchung führt einen neuartigen Ansatz zum Empfangen und Dekodieren digital modulierter Signale über das Terahertz-Spektrum ein, der durch die Verwendung eines nur wenige Nanometer dicken Halbleiterquantentopfs auf Basis einer GaAs/AlGaAs-Heterostruktur erreicht wird.

Die Ergebnisse unserer Forschung offenbaren ein unerforschtes Gebiet außergewöhnlicher Möglichkeiten, die die drahtlose Kommunikationstechnologie im Chip-Maßstab verändern könnten. Mit dem Potenzial für verbesserte Effizienz und optimiertes Design eröffnen unsere Ergebnisse Möglichkeiten für drahtlose Geräte, Schaltkreise und Elemente der nächsten Generation. Dieser Fortschritt öffnet die Tür zu einem vielfältigen Anwendungsspektrum, das die Weiterentwicklung der drahtlosen Kommunikation, des Radars und der Quantentechnologie umfasst.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialog, bei dem Forscher über Ergebnisse ihrer veröffentlichten Forschungsartikel berichten können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.

Kosala Herath ist Doktorandin und Mitglied des Advanced Computing and Simulations Laboratory (qdresearch.net) an der Electrical and Computer System Engineering der Monash University, Australien.

Professor Ampalavanapillai Nirmalathas ist derzeit stellvertretender Dekan für Forschung an der Fakultät für Ingenieurwesen und Informationstechnologie, Leiter des Wireless Innovation Lab (WILAB) und Professor für Elektrotechnik und Elektronik.

Sarath D. Gunapala ist Festkörperphysikerin und leitende Forschungswissenschaftlerin am Jet Propulsion Laboratory (JPL) des California Institute of Technology in Pasadena, Kalifornien. Er leitet die Infrarot-Photonik-Gruppe am Jet Propulsion Laboratory.

Malin Premaratne erwarb mehrere Abschlüsse an der University of Melbourne, darunter einen B.Sc. in Mathematik, einen BE in Elektrotechnik und Elektronik (mit erstklassiger Auszeichnung) und einen Ph.D. in den Jahren 1995, 1995 und 1998. Derzeit ist er Vizepräsident des Akademischen Beirats der Monash Universi

Mehr Informationen: Kosala Herath et al., Auf Floquet-Technik basierende Frequenzdemodulationsmethode für drahtlose THz-Kurzstreckenkommunikation, Physica Scripta (2023). DOI: 10.1088/1402-4896/aceebc

1 Kosala Herath et al, Generalisiertes Modell für die Ladungstransporteigenschaften gekleideter Quanten-Hall-Systeme, Physical Review B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.105.035430

2 Kosala Herath et al., Floquet Engineering of Dressed Surface Plasmon Polariton Modes in plasmonic waveguides, Physical Review B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.235422

3 Kosala Herath et al, Ein Floquet-Engineering-Ansatz zur Optimierung von Schottky-Kontakt-basierten Oberflächenplasmonenwellenleitern, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-37801-x

4 Malin Premaratne und Govind P. Agrawal, Theoretische Grundlagen nanoskaliger Quantengeräte, Cambridge University Press (2021). DOI: 10.1017/9781108634472

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Berichte, Physical Review B