Det frustrerende problem med kvanteteknologi
Lad os tale om, hvorfor kvanteteknologi har været irritationsmomentet svær at bruge i den virkelige verden.
Du har sikkert hørt om kvantecomputere, og hvordan de angiveligt skulle revolutionere alt fra medicin til bank. Her er problemet: næsten alle kvantematerialer, vi nogensinde har opdaget, fungerer kun, når de er iskoldt. Som i, næsten absolut nul.
Ved normale temperaturer flyver atomerne rundt som rastløse børn i trampolinhal. De vibrationer ødelægger fuldstændig de skrøbelige kvanteeffekter, som forskerne prøver at udnytte. Det er som at forsøge at føre en stille samtale i en rockkoncert — det dur bare ikke.
Den traditionelle løsning? Bygge enorme kølesystemer for at holde alt frosset. Hvilket fungerer fint i et laboratorium. Ikke så fint, når du vil have en kvantecomputer i et datacenter eller en kvantesensor i et fly.
Et hold der sagde "Lad os bygge vores eget"
Her er hvad jeg elsker ved denne historie: i stedet for at lede efter det perfekte materiale i naturen, besluttede forskere ved Louisiana State University at konstruere ét fra bunden.
Ledet af lektor Omar S. Magaña-Loaiza valgte holdet en anden tilgang. De placerede et tyndt lag guld på en glasmikrochip og brugte fokuserede ionstråler til at skære hundredvis af mikroskopiske spalter ind i metallet. Hver spalt fungerer som en "kunstig atom" eller "meta-atom."
Disse meta-atomer skaber tilsammen noget, der ikke findes i naturen — en krystal helt anderledes end alt, vores planet nogensinde har produceret. Og det bedste: hele strukturen er tyndere end et menneskehår.
Når lys rammer chippen, rejser det over guldoverfladen og interagerer med de konstruerede strukturer. Ved omhyggeligt at justere størrelsen, formen og afstanden mellem meta-atomerne fik forskerne præcis kontrol over, hvordan materialet reagerer på lys.
Magien i at sortere lys
Og her bliver det virkelig interessant.
Lys er ikke ens på kvanteniveau. Sollys, laserlys og fluorescerende lys er alle lavet af fotoner, men de fotoner svinger og interagerer på forskellige måder. At identificere disse forskelle har traditionelt krævet utrolig komplekst udstyr, kryogenisk kølede detektorer og millioner af individuelle målinger.
Den nye metakrystal gør denne sortering automatisk. Den kan opdage subtile kvanteforskelle i indkommende lys og dirigere forskellige kvantetilstande along separate ruter gennem krystallen selv.
"Ved at konstruere fordelingen af meta-atomer i den plasmoniske metakrystal kan vi systematisk bestemme, hvilke kvantestatistikker der har lov til at passere gennem strukturen," forklarede Riley B. Dawkins, en nylig ph.d.-kandidat der hjalp med at bygge krystallen. "Vores krystal fungerer i bund og grund som et statistisk filter på kvantetilstande."
Professor Magaña-Loaiza kalder dette "robust transport." Krystallen kan skelne mellem forskellige kvantetilstande og flytte dem fra ét sted til et andet uden at forvrænge deres grundlæggende egenskaber — og uden at have brug for kryogenisk køling.
Hvorfor det betyder noget (Meget)
Lad os tænke over, hvad dette faktisk betyder.
I øjeblikket findes kvantecomputere, men de er grundlæggende set videnskabelige instrumenter frem for praktiske enheder. De kræver elaborate kølesystemer, omhyggelig vedligeholdelse og specialiseret ekspertise. Det er som at have brug for et hold af ingeniører bare for at køre din bærbare computer.
Hvis kvantematerialer kan fungere ved stuetemperatur, ændrer alt sig pludselig. Kvantecomputere kunne blive mere tilgængelige. Kvantekommunikationssystemer kunne blive praktiske til dagligdags sikre transaktioner. Avancerede kvantesensorer kunne udstationeres i felten, ikke kun i laboratorier.
Forskerne etablerede også en bredere designstrategi, som andre forskere kan bruge til at skabe helt nye familier af kvantematerialer. Dette er ikke bare ét gennembrud — det er et vejkort til mange flere.
Chenglong You, en tidligere postdoc på holdet der nu underviser i Kina, beskrev det tilfredsstillende øjeblik, da deres usædvanlige design fungerede præcis som teorien forudsagde: "Et af de mest spændende dele ved dette projekt var at indse, at vi kunne bygge et materiale, der gør noget, naturen ikke leverer af sig selv. At se det fungere præcis som vi forudsagde, var utroligt givende."
Det store billede
Her er min vinkel: vi har behandlet kvanteteknologi som en skrøbelig blomst, der kun blomstrer under omhyggeligt kontrollerede forhold. Denne forskning antyder, at vi måske kan konstruere mere robuste sorter.
Den kvantefremtid behøver ikke at være frosset. Og det er ret spændende at tænke på.
Kilde: ScienceDaily