Квантовите технологии имат сериозен проблем – ето как учените го решават

Нека си поговорим защо квантовите технологии са толкова трудни за използване в реалния свят.

Сигурно сте чували за квантовите компютри и как те щяли да променят всичко – от медицината до банковото дело. Ето обаче проблемът: почти всеки квантов материал, който сме открили, работи само когато е охладен до почти абсолютна нула.

При нормални температури атомите непрекъснато трептят като хиперактивни малчугани. Тези вибрации напълно разрушават деликатните квантови ефекти, които учените се опитват да използват. Представяте ли си да водиш тих разговор на рок концерт? Точно такава е ситуацията.

Традиционното решение? Огромни хладилни системи, които поддържат всичко замразено. В лабораторията това работи чудесно. Но когато искаш квантов компютър в център за данни или квантов сензор в самолет – нещата стават доста сложни.

Екипът, който каза: "Ще си направим свой"

Това, което ми харесва в тази история: учените от Университета на Луизиана не търсиха перфектния материал в природата, а решиха да създадат такъв от нулата.

Ръководеният от доц. Омар С. Магана-Лоайза екип постави тъньк слой злато върху стъклен чип и след това използва фокусирани йонни лъчи, за да изреже стотици миниатюрни процепи в метала. Всеки процеп действа като "изкуствен атом" или "метатом".

Заедно тези метатоми създават нещо, което не съществува в природата – кристал, какъвто нашата планета никога не е виждала. И най-хубавото: цялата конструкция е по-тънка от човешки косъм.

Когато светлината удари чипа, тя пътува по повърхността на златото и взаимодейства с тези инженерни структури. Като внимателно регулират размера, формата и разстоянието между метатомите, изследователите получават пълен контрол върху това как материалът реагира на светлината.

Магията на сортирането на светлината

Тук става наистина интересно.

Светлината не е еднаква на квантово ниво. Слънчевата светлина, лазерната светлина и флуоресцентната светлина са съставени от фотони, но тези фотони трептят и взаимодействат по различни начини. Идентифицирането на тези разлики традиционно изисква невероятно сложно оборудване, криогенно охладени детектори и милиони отделни измервания.

Новият метакристал върши това сортиране автоматично. Той може да засича фини квантови разлики в постъпващата светлина и да насочва различни квантови състояния по отделни пътища през самия кристал.

"Като проектираме разпределението на метатомите в плазмонния метакристал, можем систематично да определяме какви квантови статистики могат да преминават през структурата," обясни Райли Б. Докинс, скорошен докторант, който помогнал за създаването на кристала. "Нашият кристал по същество действа като статистически филтър върху квантовите състояния."

Проф. Магана-Лоайза нарича това "robust transport" – надежден пренос. Кристалът може да различава различни квантови състояния и да ги премества от една точка в друга, без да разбърква техните съществени характеристики – и без да се нуждае от криогенно охлаждане.

Защо е толкова важно

Нека помислим какво означава това на практика.

В момента квантовите компютри съществуват, но те са по-скоро научни инструменти, отколкото практически устройства. Те изискват сложни охладителни системи, внимателна поддръжка и специализирани експерти. Сякаш ти трябва екип от инженери само за да пуснеш лаптопа си.

Ако квантовите материали могат да работят при стайна температура, всичко се променя. Квантовите компютри биха станали много по-достъпни. Квантови комуникационни системи биха станали практични за ежедневни сигурни транзакции. Напреднали квантови сензори биха могли да се използват на терен, а не само в лаборатории.

Изследователите също така създадоха по-широка проектантска стратегия, която други учени могат да използват, за да създават напълно нови семейства квантови материали. Това не е просто едно откритие – това е пътна карта за много повече.

Ченглонг Йо, бивш постдокторант в екипа, който сега преподава в Китай, описа момента, когато техният необичаен дизайн проработи точно както теорията предсказваше: "Една от най-вълнуващите части на този проект беше да осъзнаем, че можем да построим материал, който прави нещо, което природата не предлага сама по себе си. Да го видим да работи точно както предвидихме, беше невероятно удовлетворяващо."

По-голямата картина

Ето моето мнение: досега третирахме квантовите технологии като крехък цвят, който цъфти само в внимателно контролирани условия. Това изследване подсказва, че може би можем да отгледаме по-издръжливи сортове.

Квантовото бъдеще не трябва да бъде замразено. И това е доста вълнуващо за размисъл.

Източник: ScienceDaily