Kwantowe gadżety, które wreszcie zadziałają w normalnych warunkach?

No dobra, czas na temat, który napsuł mi krwi, odkąd zaczęłam śledzić postępy w fizyce kwantowej.

Pewnie słyszeliście, że komputery kwantowe mają zrewolucjonizować medycynę, bankowość i właściwie wszystko inne. Problem? Prawie każdy materiał kwantowy, jaki kiedykolwiek odkryto, działa tylko w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Mówię poważnie – to jest zimno na poziomie kosmicznym.

W normalnych warunkach atomy zachowują się jak rozkręcone dzieciaki – cały czas się trzęsą i wibrują. Te wibracje kompletnie psują delikatne efekty kwantowe, które naukowcy próbują wykorzystać. Wyobraźcie sobie rozmowę o pogodzie na koncercie rockowym. Tak mniej więcej to wygląda.

Tradycyjne rozwiązanie? Budujemy ogromne zamrażarki. Działa w laboratorium. Nie działa, gdy chcesz mieć komputer kwantowy w centrum danych albo czujnik kwantowy w samolocie.

Zespół, który postanowił zrobić to po swojemu

A tutaj zaczyna się naprawdę ciekawa historia. Naukowcy z Louisiana State University nie szukali idealnego materiału w naturze. Postanowili go stworzyć od zera.

Zespół pod kierunkiem profesora Omara S. Magaña-Loaizy nałożył cienką warstwę złota na szklany chip, a potem użył skupionej wiązki jonów, żeby wyciąć w metalu setki mikroskopijnych szczelin. Każda szczelina działa jak „sztuczny atom" – coś w rodzaju miniaturowego budynku, który zachowuje się jak pojedynczy atom, ale można go zaprojektować dokładnie tak, jak się chce.

Te sztuczne atomy razem tworzą coś, czego w naturze nie znajdziecie – kryształ, jakiego nasza planeta jeszcze nie widziała. I najlepsze: całość jest cieńsza niż ludzkie włos.

Kiedy światło pada na taki chip, podróżuje po powierzchni złota i oddziałuje z tymi zaprojektowanymi strukturkami. Kontrolując rozmiar, kształt i odstępy między sztucznymi atomami, naukowcy mogą precyzyjnie sterować tym, jak materiał reaguje na światło.

Sortowanie światła na poziomie kwantowym

Teraz robi się naprawdę interesująco.

Światło nie jest jednakowe na poziomie kwantowym. Światło słoneczne, laserowe i fluorescencyjne składają się z fotonów, ale te fotony inaczej się zachowują, inaczej się fluktuują i inaczej ze sobą oddziałują. Tradcyjnie rozpoznanie tych różnic wymagało niesamowicie skomplikowanego sprzętu, detektorów schłodzonych do temperatury bliskiej absolutnemu zeru i milionów pojedynczych pomiarów.

Nowy metakryształ robi to automatycznie. Potrafi wykrywać subtelne różnice kwantowe w padającym świetle i kierować różne stany kwantowe oddzielnymi ścieżkami przez strukturę kryształu.

„Projektując rozmieszczenie sztucznych atomów w plazmonicznym metakryształe, możemy systematycznie określać, które stany kwantowe mogą przechodzić przez strukturę" – wyjaśnił Riley B. Dawkins, niedawny absolwent doktoratu, który pomagał zbudować kryształ. „Nasz kryształ działa jak rodzaj filtra statystycznego dla stanów kwantowych."

Profesor Magaña-Loaiza nazywa to „odpornym transportem". Kryształ potrafi rozróżniać różne stany kwantowe i przenosić je z jednego punktu do drugiego, nie psując przy tym ich podstawowych właściwości – i wszystko to bez chłodzenia kriogenicznego.

Dlaczego to jest ważne? Bardzo ważne.

Zastanówmy się, co to właściwie oznacza.

Dzisiaj komputery kwantowe istnieją, ale to raczej instrumenty naukowe niż praktyczne urządzenia. Potrzebują skomplikowanych systemów chłodzenia, starannej konserwacji i specjalistycznej wiedzy. Wyobraźcie sobie, że żeby uruchomić laptop, potrzebujecie zespołu inżynierów.

Jeśli materiały kwantowe będą działać w temperaturze pokojowej, wszystko się zmienia. Komputery kwantowe mogą stać się dostępniejsze. Systemy komunikacji kwantowej mogą nagle mieć sens w codziennych, bezpiecznych transakcjach. Zaawansowane czujniki kwantowe można by wykorzystywać w terenie, a nie tylko w laboratoriach.

Naukowcy stworzyli też szerszą strategię projektowania, z której inni badacze mogą korzystać do tworzenia zupełnie nowych rodzin materiałów kwantowych. To nie jest jedno przełomowe odkrycie – to mapa drogowa dla wielu kolejnych.

Chenglong You, były postdoc w zespole, który teraz wykłada w Chinach, opisał satysfakcjonujący moment, kiedy ich nietypowy projekt zadziałał dokładnie tak, jak przewidywała teoria: „Jedną z najbardziej ekscytujących części tego projektu było uświadomienie sobie, że możemy zbudować materiał, który robi coś, czego natura sama nie dostarcza. Zobaczyć, że działa dokładnie tak, jak przewidzieliśmy – to było niesamowicie satysfakcjonujące."

Szerszy obraz

Moja refleksja: od dawna traktujemy technologię kwantową jak delikatny kwiat, który zakwita tylko w starannie kontrolowanych warunkach. To badanie sugeruje, że może uda nam się wyhodować odporniejsze odmiany.

Przyszłość kwantowa nie musi być zamrożona. I szczerze? To naprawdę fascynująca perspektywa.

Źródło: ScienceDaily