A kvantumtechnológia frusztráló problémája

Beszéljünk arról, miért olyan nehézkes a kvantumtechnológia a valódi világban.

Biztos hallottál már a kvantumszámítógépekről, és arról, hogyan forradalmasíthatnák az orvostudományt vagy a banki szektort. Itt a baj: szinte minden kvantumanyag, amit valaha felfedeztünk, csak akkor működik, ha borzasztóan hideg van. Mondjuk majdnem abszolút nulla fok.

Normál hőmérsékleten az atomok folyamatosan mozognak, mint a túlpörgött gyerekek. Ezek a rezgések teljesen tönkreteszik azokat a finom kvantumhatásokat, amiket a kutatók ki akarnak használni. Olyan ez, mintha egy rockkoncerten próbálnál csendes beszélgetést folytatni – egyszerűen nem fog menni.

A hagyományos megoldás: hatalmas hűtőrendszerek építése, hogy mindent lefagyasszanak. Laborban remekül működik. De mit szólsz, ha egy adatközpontba vagy repülőgépbe kellene kvantumszámítógép?

Egy csapat, ami azt mondta: "Csináljuk meg magunknak"

Ez a történet azért szerethető, mert a louisianai állami egyetem kutatói nem természetes anyagokat kerestek, hanem úgy döntöttek, egy nulláról tervezik meg a sajátjukat.

Omar S. Magaña-Loaiza docens vezetésével a csapat más utat választott. Egy vékony aranyréteget helyeztek el egy üveglapkán, majd fókuszált ionsugarakkal több száz apró rést vágtak a fémbe. Minden rés olyan, mint egy "mesterséges atom" – nevezzük metaatomnak.

Ezek a metaatomok együttesen létrehoznak valamit, ami a természetben nem létezik – egy kristályt, amilyet a Föld még sosem látott. És még valami: az egész vékonyabb, mint egy emberi hajszál.

Amikor fény éri a lapkát, az végigfut az arany felületén, és kölcsönhatásba lép ezekkel a tervezett struktúrákkal. A metaatomok méretének, alakjának és távolságának gondos hangolásával a kutatók pontosan irányítani tudták, hogyan reagál az anyag a fényre.

A fényrendezés varázslata

Itt kezdődik az igazán érdekes rész.

A fény a kvantumszinten nem egyforma. A napfény, a lézernyaláb és a fluoreszkáló fény mind fotonokból áll, de ezek a fotonok különböző módon fluktuálnak és lépnek kölcsönhatásba. Hagyományosan ilyen különbségek feltárásához hihetetlenül komplex berendezések kellenek, kriogén hűtésű detektorok és rengeteg egyedi mérés.

Az új metakristály viszont automatikusan rendezi a fényt. Képes érzékelni a bejövő fény finom kvantum-különbségeit, és a különböző kvantumállapotokat a kristályon belül külön útvonalakra terelni.

"A metaatomok eloszlásának tervezésével szisztematikusan meghatározhatjuk, mely kvantum-statisztikák haladhatnak át a struktúrán" – magyarázta Riley B. Dawkins, a csapat friss PhD-diplomása, aki részt vett a kristály megépítésében. "A kristályunk lényegében egy statisztikai szűrő a kvantumállapotokra."

Professzor Magaña-Loaiza ezt "robusztus szállításnak" nevezi. A kristály megkülönbözteti a különböző kvantumállapotokat, és egyik pontból a másikba mozgatja őket anélkül, hogy elveszítenék alapvető tulajdonságaikat – és mindezt hűtés nélkül.

Miért fontos ez (nagyon)

Gondoljunk bele, mit jelent ez a gyakorlatban.

Jelenleg a kvantumszámítógépek léteznek, de inkább tudományos műszerek, mint praktikus eszközök. Bonyolult hűtőrendszereket igényelnek, gondos karbantartást és szakértelmet. Mintha egy egész mérnökcsapat kellene ahhoz, hogy működtessék a laptopodat.

Ha a kvantumanyagok szobahőmérsékleten is működhetnek, minden megváltozik. A kvantumszámítógépek elérhetőbbé válhatnak. A kvantumkommunikációs rendszerek praktikusak lehetnek a mindennapi biztonságos tranzakciókhoz. Fejlett kvantumszenzorok kerülhetnek a terepre, nem csak a laborokba.

A kutatók emellett egy szélesebb tervezési stratégiát is lefektettek, amit más tudósok új családokba tartozó kvantumanyagok létrehozásához használhatnak. Ez nem egyetlen áttörés – ez egy útiterve a további fejlesztéseknek.

Chenglong You, a csapat volt posztdoktori kutatója, aki most Kínában tanít, így mesélt arról a kielégítő pillanatról, amikor a szokatlan tervezés pontosan úgy működött, ahogy az elmélet jósolta: "A projekt egyik legizgalmasabb része az volt, amikor rájöttünk, hogy építhetünk egy anyagot, ami olyasmit csinál, amit a természet nem kínál. Látni, hogy pontosan úgy működik, ahogyan megjósoltuk, hihetetlenül jól esett."

A nagyobb kép

Íme az én véleményem: eddig úgy kezeltük a kvantumtechnológiát, mint egy törékeny virágot, ami csak gondosan ellenőrzött körülmények között virágzik. Ez a kutatás arra utal, hogy talán képesek lehetünk szívósabb fajtákat tervezni.

A kvantum jövőnek nem kell lefagyva lennie. És ez igazán izgalmas gondolat.

Forrás: ScienceDaily