Problém, který dráždí celý svět kvantovek

Dovolte mi vysvětlit, proč je kvantová technologie tak zatraceně nepříjemná na používání v reálu.

Určitě jste už slyšeli o kvantových počítačích a o tom, jak mají zásadně změnit všechno od medicíny po bankovnictví. Tady je ten háček: skoro každý kvantový materiál, co kdy objevíme, funguje jedině tehdy, když je pořádně vychladlý. Jako opravdu hodně blízko absolutní nule.

Když jsou teploty normální, atomy se neustále třesou jako hyperaktivní batolata. Tyto vibrace úplně ničí křehké kvantové efekty, které se vědci snaží využít. Je to jako snažit se vést klidný rozhovor na rockovém koncertě – prostě to nefunguje.

Klasické řešení? Postavit obrovské chladicí systémy, které udrží vše zmrazené. V laboratoři skvělé. Ale co když chcete kvantový počítač v datovém centru nebo kvantový senzor v letadle? Tam už to taková sláva není.

Tým, který se rozhodl postavit si to sám

Tohle je na tom příběhu to, co mám rád. Místo hledání dokonalého materiálu v přírodě se výzkumníci na Louisiana State University rozhodli jeden prostě navrhnout od základů.

Pod vedením docenta Omara S. Magaña-Loaizy vsadili na úplně jiný přístup. Vzali tenkou vrstvu zlata na skleněném čipu a pak ji pomocí fokusovaných iontových svazků rozřezali na stovky miniaturních štěrbin v kovu. Každá štěrbina funguje jako jakési „umělé atom" neboli meta-atom.

Tyto meta-atomy dohromady vytvářejí něco, co v přírodě neexistuje – krystal, jaký naše planeta ještě nikdy neviděla. A co víc? Celá struktura je tenčí než lidský vlas.

Když světlo dopadne na čip, putuje po zlatém povrchu a interaguje s těmito uměle vytvořenými strukturami. Vědci mohli přesně kontrolovat, jak materiál na světlo reaguje, díky pečlivému nastavení velikosti, tvaru a rozestupů meta-atomů.

Kouzlo třídění světla

Tady to začíná být opravdu zajímavé.

Na kvantové úrovni není všechno světlo stejné. Sluneční světlo, laserové světlo a fluorescenční světlo se skládají z fotonů, ale tyto fotony kmitají a interagují různě. Rozeznávat tyto rozdíly tradičně vyžadovalo neuvěřitelně složité vybavení, detektory chlazené na kryogenní teploty a miliony jednotlivých měření.

Nový metakrystal tohle všechno zvládne úplně sám. Dokáže zachytit jemné kvantové rozdíly v dopadajícím světle a nasměrovat různé kvantové stavy odděleně přes krystal.

„Inženýrstvím rozložení meta-atomů v plazmonickém metakrystalu můžeme systematicky určovat, které kvantové statistiky mohou krystalem procházet," vysvětlil Riley B. Dawkins, čerstvý absolvent PhD programu, který se na stavbě krystalu podílel. „Náš krystal v podstatě funguje jako statistický filtr kvantových stavů."

Profesor Magaña-Loaiza tomu říká „robustní transport". Krystal dokáže rozlišovat mezi různými kvantovými stavy a přesouvat je z jednoho místa na druhé, aniž by narušil jejich podstatu – a bez potřeby kryogenního chlazení.

Proč na tom záleží (a hodně)

Pojďme se zamyslet, co to vlastně znamená.

Dneska kvantové počítače existují, ale ve skutečnosti jsou to spíš vědecké přístroje než praktická zařízení. Vyžadují složité chladicí systémy, pečlivou údržbu a specializované odborníky. Je to jako kdybyste potřebovali tým inženýrů jenom na to, abyste rozjeli svůj notebook.

Kdyby ale kvantové materiály mohly fungovat při pokojové teplotě, všechno by se změnilo. Kvantové počítače by se staly dostupnějšími. Kvantové komunikační systémy by se mohly stát praktickými pro každodenní zabezpečené transakce. Pokročilé kvantové senzory by se daly nasadit přímo v terénu, ne jen v laboratořích.

Výzkumníci také vytvořili širší konstrukční strategii, kterou mohou ostatní vědci využít k tvorbě úplně nových rodin kvantových materiálů. Tohle není jen jeden průlom – je to mapa cesty pro spoustu dalších.

Chenglong You, bývalý postdoktorand týmu, který teď učí v Číně, popsal ten uspokojivý okamžik, kdy se jejich neobvyklý návrh choval přesně podle teoretických předpovědí: „Jedna z nejzajímavějších částí tohohle projektu bylo uvědomění, že můžeme postavit materiál, který dělá něco, co nám příroda sama od sebe nenabízí. Vidět, že to funguje přesně tak, jak jsme předpovídali, bylo neuvěřitelně uspokojivé."

Větší obrázek

Tady je můj pohled: dosud jsme zacházeli s kvantovou technologií jako s křehkou kytkou, která kvete jedině v pečlivě kontrolovaných podmínkách. Tenhle výzkum naznačuje, že bychom možná mohli vypěstovat odolnější odrůdy.

Kvantová budoucnost nemusí být zmrazená. A o tom se vyplatí přemýšlet.

Zdroj: ScienceDaily