Det irriterende problemet med kvanteteknologi

La meg forklare hvorfor kvanteteknologi har vært så skremmende vanskelig å bruke i den virkelige verden.

Du har sikkert hørt om kvantedatamaskiner og hvordan de skal revolusjonere alt fra medisin til bank. Her er greia: nesten alle kvantematerialer vi har oppdaget, fungerer bare når de er iskalde. Jeg mener nesten absolutt null kalde.

Ved vanlige temperaturer rører atomene seg konstant rundt som hyperaktive femåringer. Disse vibrasjonene ødelegger fullstendig de skjøre kvanteeffektene forskerne prøver å utnytte. Det er som å prøve å føre en rolig samtale på en rockkonsert – det funker rett og slett ikke.

Den tradisjonelle løsningen? Bygge enorme kjølesystemer for å holde alt frosset. Som fungerer fint i et laboratorium. Men ikke så fint når du vil ha en kvantedatamaskin i et datasenter eller en kvantesensor i et fly.

Et team som bestemte seg for å bygge sitt eget

Her er noe jeg virkelig liker med denne historien: i stedet for å lete etter det perfekte materialet i naturen, bestemte forskere ved Louisiana State University seg for å konstruere ett fra bunnen av.

Ledet av førsteamanuensis Omar S. Magaña-Loaiza tok teamet en annen tilnærming. De la et tynt lag med gull på en glassbrikke og brukte fokuserte ionestråler til å skjære hundrevis av bittesmå spalter inn i metallet. Hver spalte fungerer som en "kunstig atom" eller "meta-atom".

Disse meta-atomene skaper sammen noe som ikke eksisterer i naturen – en krystall helt forskjellig fra alt planeten vår noensinne har produsert. Og det beste av alt: hele greia er tynnere enn et menneskehår.

Når lys treffer brikken, reiser det over gulloverflaten og samhandler med disse konstruerte strukturene. Ved å justere størrelsen, formen og avstanden mellom meta-atomene, fikk forskerne presis kontroll over hvordan materialet reagerer på lys.

Kunsten å sortere lys

Nå blir det virkelig interessant.

Lys er ikke likt på kvantenivå. Sollys, laserlys og fluoriserende lys er alle laget av fotoner, men disse fotonene varierer og samhandler på forskjellige måter. Å identifisere disse forskjellene har tradisjonelt krevd utrolig komplekst utstyr, kryogenisk avkjølte detektorer og millioner av individuelle målinger.

Den nye metakrystallen gjør denne sorteringen automatisk. Den kan oppdage subtile kvanteforskjeller i innkommende lys og styre ulike kvantetilstander langs atskilte ruter gjennom selve krystallen.

"Ved å konstruere fordelingen av meta-atomer i den plasmiske metakrystallen, kan vi systematisk bestemme hvilke kvantestatistikker som får lov til å passere gjennom strukturen," forklarte Riley B. Dawkins, en nylig ferdigutdannet ph.d. som var med på å bygge krystallen. "Vår krystall fungerer i bunn og grunn som et statistisk filter på kvantetilstander."

Professor Magaña-Loaiza kaller dette "robust transport". Krystallen kan skille mellom ulike kvantetilstander og flytte dem fra ett punkt til et annet uten å miste deres essensielle egenskaper – og uten å trenge kryogenisk kjøling.

Hvorfor dette betyr noe (virkelig)

La oss tenke over hva dette egentlig betyr.

Akkurat nå finnes kvantedatamaskiner, men de er i praksis vitenskapelige instrumenter fremfor praktiske enheter. De krever elaborate kjølesystemer, nøye vedlikehold og spesialkompetanse. Det er som å trenge et helt ingeniørteam bare for å kjøre laptopen din.

Hvis kvantematerialer kan fungere ved romtemperatur, endrer alt seg plutselig. Kvantedatamaskiner kan bli mer tilgjengelige. Kvantekommunikasjonssystemer kan bli praktiske for hverdagslige sikre transaksjoner. Avanserte kvantesensorer kan distribueres ute i feltet, ikke bare i laboratorier.

Forskerne etablerte også en bredere designstrategi som andre forskere kan bruke til å skape helt nye familier av kvantematerialer. Dette er ikke bare én gjennombrudd – det er en veikart for mange flere.

Chenglong You, en tidligere postdoktor på teamet som nå underviser i Kina, beskrev den tilfredsstillende øyeblikket da deres uvanlige design presterte akkurat slik teorien spådde: "En av de mest spennende delene av dette prosjektet var å innse at vi kunne bygge et materiale som gjør noe naturen ikke leverer på egen hånd. Å se det fungere akkurat som vi hadde spådd var utrolig givende."

Det store bildet

Her er min tanke: vi har behandlet kvanteteknologi som en skjør blomst som bare blomstrer under nøye kontrollerte forhold. Denne forskningen antyder at vi kanskje kan konstruere mer hardføre varianter.

Kvantefremtiden trenger ikke å være frosset.

Og det er ganske spennende å tenke på.

Kilde: ScienceDaily