Det frustrerande problemet med kvantteknik
Låt oss prata om varför kvantteknik har varit så oerhört svår att använda utanför labbet.
Du har säkert hört talas om kvantdatorer och hur de ska revolutionera allt från medicin till bankväsende. Här är grejen: nästan varje kvantmaterial vi någonsin upptäckt fungerar bara när det är riktigt, riktigt kallt. Typiskt nära absolution noll.
Vid normala temperaturer rör sig atomer hela tiden som hyperaktiva småbarn. De där vibrationerna förstör helt de känsliga kvanteffekter som forskarna försöker utnyttja. Det är som att försöka ha ett lugnt samtal på en rockkonsert – det funkar helt enkelt inte.
Den traditionella lösningen? Bygga enorma kylanläggningar för att hålla allt fruset. Vilket funkar toppen i ett labb. Inte lika bra när du vill ha en kvantdator i ett datacenter eller en kvantsensor i ett flygplan.
Ett gäng som sa "Då bygger vi vårt eget"
Här är vad jag gillar med den här historien: istället för att leta efter det perfekta materialet i naturen bestämde sig forskare vid Louisiana State University för att konstruera ett från grunden.
Lett av biträdande professor Omar S. Magaña-Loaiza valde teamet en annan väg. De lade ett tunt lager guld på en gläschip och använde fokuserade jonerstrålar för att skära ut hundratals pyttesmå spalter i metallen. Varje spalt fungerar som en "konstgjord atom" eller "meta-atom".
De här meta-atomerna skapar tillsammans något som inte existerar i naturen – en kristall som inte liknar något planeten någonsin producerat. Och det bästa? Hela grejen är tunnare än ett mänskligt hårstrå.
När ljus träffar chippen färdas det över guldytan och växelverkar med de konstruerade strukturerna. Genom att noggrant justera storlek, form och avstånd mellan meta-atomerna fick forskarna exakt kontroll över hur materialet reagerar på ljus.
Trollkonsten att sortera ljus
Nu blir det riktigt intressant.
Ljus är inte allt likadant på kvantnivå. Soljus, laserljus och fluorescerande ljus är alla gjorda av fotoner, men de där fotonerna fluktuerar och samverkar på olika sätt. Att identifiera de här skillnaderna har traditionellt krävt otroligt komplex utrustning, kryokylda detektorer och miljontals enskilda mätningar.
Den nya metakristallen gör den här sorteringen automatiskt. Den kan upptäcka subtila kvantskillnader i inkommande ljus och styra olika kvanttillstånd längs separata vägar genom kristallen själv.
"Genom att konstruera fördelningen av meta-atomer i den plasmoniska metakristallen kan vi systematiskt bestämma vilka kvantstatistik som tillåts passera genom strukturen," förklarade Riley B. Dawkins, en nyligen disputerad doktor som var med och byggde kristallen. "Vår kristall fungerar i praktiken som ett statistiskt filter på kvanttillstånd."
Professor Magaña-Loaiza kallar detta för "robust transport". Kristallen kan skilja mellan olika kvanttillstånd och flytta dem från en punkt till en annan utan att förstöra deras grundläggande egenskaper – och utan att behöva kryokylning.
Varför det här spelar roll (mycket)
Låt oss fundera på vad det här egentligen betyder.
Idag finns kvantdatorer, men de är i praktiken vetenskapliga instrument snarare än användbara produkter. De kräver avancerade kylsystem, noggrannt underhåll och specialiseradExpertis. Det är som att behöva ett helt ingenjörsteam bara för att köra din laptop.
Om kvantmaterial kan fungera i rumstemperatur förändras allt plötsligt. Kvantdatorer skulle kunna bli mer tillgängliga. Kvantkommunikationssystem skulle kunna bli praktiska för vardagliga säkra transaktioner. Avancerade kvantsensorer skulle kunna användas ute i fältet, inte bara i labb.
Forskarna lade också grunden för en bredare designstrategi som andra vetenskapsmän kan använda för att skapa helt nya familjer av kvantmaterial. Det här är inte bara ett genombrott – det är en vägkarta för många fler.
Chenglong You, en före detta postdoc i teamet som nu undervisar i Kina, beskrev det tillfredsställande ögonblicket när deras ovanliga design presterade precis som teorin förutspått: "Ett av de mest spännande med det här projektet var att inse att vi kunde bygga ett material som gör något naturen inte levererar på egen hand. Att se det fungera precis som vi förutspått var otroligt givande."
Den större bilden
Här är min syn: vi har behandlat kvantteknik som en skör blomma som bara blommar under noggrant kontrollerade förhållanden. Den här forskningen antyder att vi kanske kan konstruera mer härdiga sorter.
Kvantframtiden behöver inte vara frusen. Och det är rätt häftigt att fundera på.
Källa: ScienceDaily