Οι κβαντικοί υπολογιστές σήμερα είναι εμφανώς δύσκολο και ακριβό στη λειτουργία τους. Οι περισσότεροι απαιτούν θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, περίπου -459 βαθμούς Φαρενάιτ, για να διατηρήσουν τις εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις που είναι απαραίτητες για υπολογισμούς και επικοινωνία.
Τώρα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ ανέπτυξαν μια οπτική συσκευή νανοκλίμακας που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου ενώ συνδέει τις κβαντικές ιδιότητες του φωτός και των ηλεκτρονίων. Η πρόοδος θα μπορούσε να βοηθήσει να ανοίξει ο δρόμος για μικρές, χαμηλού κόστους κβαντικές τεχνολογίες ικανές να μεταδίδουν πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις.
Η νέα συσκευή επιτρέπει την εμπλοκή μεταξύ φωτονίων, σωματιδίων που παράγουν φως και ηλεκτρονίων. Αυτή η κβαντική σύνδεση θεωρείται θεμελιώδης απαίτηση για μελλοντικά συστήματα κβαντικών επικοινωνιών.
«Το εν λόγω υλικό δεν είναι πραγματικά νέο, αλλά ο τρόπος που το χρησιμοποιούμε είναι», δήλωσε η Jennifer Dion, καθηγήτρια επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Stanford και ανώτερη συγγραφέας της δημοσιευμένης μελέτης. Επικοινωνία με τη φύση. “Αυτό παρέχει μια πολύ ευέλικτη, σταθερή σύζευξη σπιν μεταξύ ηλεκτρονίων και φωτονίων που είναι η θεωρητική βάση της κβαντικής επικοινωνίας. Κανονικά, ωστόσο, τα ηλεκτρόνια χάνουν το σπιν τους πολύ γρήγορα για να είναι χρήσιμα.”
Συνεστραμμένο φως και κβαντική περιστροφή
Η συσκευή συνδυάζει ένα λεπτό στρώμα μολυβδαινίου δισελενιδίου (MoSe2) με μοτίβο με ένα υπόστρωμα πυριτίου με νανομοτίβο. Τα δισεληνίδια του μολυβδαινίου ανήκουν σε μια οικογένεια υλικών γνωστών ως διχαλκογονίδια μετάλλων μεταπτώσεως (TMDCs), τα οποία εκτιμώνται για τις μοναδικές οπτικές και κβαντικές τους ιδιότητες.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι νανοδομές πυριτίου παίζουν σημαντικό ρόλο δημιουργώντας «στριμμένο φως».
«Οι νανοδομές πυριτίου επιτρέπουν αυτό που ονομάζουμε «συστραμμένο φως»», εξηγεί ο Φενγκ Παν, μεταδιδακτορικός μελετητής στο εργαστήριο του Ντιόν και πρώτος συγγραφέας της εργασίας. «Τα φωτόνια περιστρέφονται με τιρμπουσόν, αλλά το πιο σημαντικό, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα περιστρεφόμενα φωτόνια για να μεταδώσουμε σπιν στα ηλεκτρόνια, που είναι ο πυρήνας του κβαντικού υπολογισμού».
Ο Dion σημειώνει ότι οι δομές με σχέδια είναι απίστευτα μικρές, περίπου συγκρίσιμες σε μέγεθος με τα μήκη κύματος του ορατού φωτός και αδύνατο να τις δεις με γυμνό μάτι.
«Οι νανοδομές με σχέδια είναι αόρατες στο ανθρώπινο μάτι σε μήκη κύματος ορατού φωτός», πρόσθεσε ο Ντιόν. «Αλλά μας βοηθούν να χειριστούμε τα φωτόνια με μεγάλη ακρίβεια για να τα περιστρέψουμε — για να τα στρίψουμε — προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, για παράδειγμα, πάνω ή κάτω».
Ένας απλός τρόπος κβαντικής επικοινωνίας
Οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτό το λυγισμένο φως για να μπερδέψουν τα σπιν ηλεκτρονίων, δημιουργώντας τα βασικά δομικά στοιχεία των κβαντικών συστημάτων πληροφοριών.
Στους συμβατικούς υπολογιστές, οι πληροφορίες αντιπροσωπεύονται με μηδενικά και ένα. Στην κβαντική τεχνολογία, τα qubits εξυπηρετούν τον ίδιο σκοπό, αλλά μπορούν να επωφεληθούν από τα κβαντομηχανικά αποτελέσματα για την επεξεργασία και τη μετάδοση πληροφοριών με εντελώς νέους τρόπους.
Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η κβαντική τεχνολογία είναι η διατήρηση μιας σταθερής κβαντικής κατάστασης. Σε πολλά υπάρχοντα συστήματα, απαιτείται ακραία ψύξη για να αποτραπεί μια διαδικασία γνωστή ως αποσυνοχή, όπου χάνονται ευαίσθητες κβαντικές πληροφορίες.
Επειδή η νέα συσκευή λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, αποφεύγει ένα σημαντικό εμπόδιο που έχει περιορίσει την ευρεία χρήση της κβαντικής τεχνολογίας. Οι ερευνητές λένε ότι ο συμπαγής σχεδιασμός είναι σχετικά φθηνός και πρακτικός σε σύγκριση με πολλά σημερινά κβαντικά συστήματα.
Εάν αναπτυχθεί περαιτέρω, η τεχνολογία θα μπορούσε να συμβάλει στην πρόοδο στις ασφαλείς επικοινωνίες, την προηγμένη ανίχνευση, τους υπολογιστές υψηλής απόδοσης, την τεχνητή νοημοσύνη και άλλες αναδυόμενες εφαρμογές.
Γιατί το υλικό έχει σημασία
Η ομάδα επέλεξε υλικά TMDC λόγω των ασυνήθιστων κβαντικών ιδιοτήτων τους και συνεργάστηκε με τους ερευνητές του Στάνφορντ Fang Liu και Tony Heinz, οι οποίοι ειδικεύονται σε αυτά τα υλικά.
«Όλα εξαρτώνται από τα εξαρτήματα και το τσιπ πυριτίου μας», είπε ο Παν. “Μαζί, περιορίζουν και ενισχύουν αποτελεσματικά τη συστροφή του φωτός για να δημιουργήσουν μια ισχυρή σύζευξη σπιν μεταξύ φωτονίων και ηλεκτρονίων. Αυτό σταθεροποιεί την κβαντική κατάσταση που καθιστά δυνατή την κβαντική επικοινωνία.”
Ο συνδυασμός επιτρέπει στο φως και την ύλη να αλληλεπιδρούν πιο έντονα, συμβάλλοντας στη διατήρηση των κβαντικών ιδιοτήτων που είναι απαραίτητες για εργασίες επικοινωνίας και υπολογισμού.
Προς μελλοντικά κβαντικά δίκτυα
Οι ερευνητές συνεχίζουν να βελτιώνουν τη συσκευή και να εξερευνούν πρόσθετα υλικά TMDC και συνδυασμούς υλικών που μπορεί να παρέχουν καλύτερη απόδοση. Διερευνούν εάν αυτά τα συστήματα μπορούν να αποκαλύψουν νέες κβαντικές δυνατότητες που δεν είναι επί του παρόντος δυνατές σε θερμοκρασία δωματίου.
Ένας μακροπρόθεσμος στόχος είναι η ενσωμάτωση τέτοιων συσκευών σε μεγαλύτερα κβαντικά δίκτυα. Η επίτευξη αυτού του οράματος θα απαιτήσει βελτιώσεις στις τεχνολογίες υποστήριξης, όπως πηγές φωτός, διαμορφωτές, ανιχνευτές και διασυνδέσεις.
Τελικά, οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα κβαντικά στοιχεία μπορούν να γίνουν αρκετά μικρά ώστε να ενσωματωθούν στην καθημερινή ηλεκτρονική. Ενώ αυτό το μέλλον παραμένει χρόνια μακριά, η εργασία αντιπροσωπεύει ένα βήμα προς την κατεύθυνση να γίνει η κβαντική τεχνολογία πιο προσιτή και πρακτική.
«Αν μπορούμε να το κάνουμε αυτό, ίσως κάποια μέρα θα μπορέσουμε να κάνουμε κβαντικούς υπολογιστές σε κινητά τηλέφωνα», λέει ο Παν γελώντας. «Αλλά είναι ένα πλάνο 10 και πλέον ετών».
