Tutkijat saavuttivat läpimurron kvanttisignaloinnissa

Nykypäivän kvanttitietokoneet ovat jäähdytysvaatimuksineen suuria, kalliita ja epäkäytännöllisiä.

Uudessa artikkelissa Stanfordin yliopiston materiaalitieteilijät esittelevät kuitenkin uuden nano-optisen rakenteen, joka toimii huoneenlämmössä ja lomittaa fotonien ja elektronien spinin yhteen saavuttaakseen kvanttikommunikaation – lähestymistavan, joka käyttää kvanttifysiikan lakeja datan siirtämiseen ja käsittelyyn.

Teknologia voisi aloittaa uuden aikakauden, jossa edulliset ja vähän energiaa kuluttavat kvanttikomponentit pystyvät kommunikoimaan pitkien etäisyyksien yli.

”Kyseinen materiaali ei ole oikeastaan uusi, mutta tapa, jolla käytämme sitä, on”, sanoo professori Jennifer Dionne. ”Se tarjoaa erittäin monipuolisen ja vakaan spin-yhteyden elektronien ja fotonien välille, mikä on kvanttiviestinnän teoreettinen perusta. Tyypillisesti elektronit kuitenkin menettävät spininsä liian nopeasti ollakseen hyödyllisiä.”

Laite on valmistettu ohuesta, kuvioidusta molybdeenidiselenidikerroksesta (MoSe2), joka on kiinteän, nanokuvioidun piisubstraatin päällä. Molybdeenidiselenidi kuuluu siirtymämetallidikalkogenideihin (TMDC), joilla on suotuisat optiset ominaisuudet.

”Piin nanorakenteet mahdollistavat sen, mitä kutsumme ’kiertyneeksi valoksi”, selittää postdoc-tutkija Feng Pan. ”Kuvioidut nanorakenteet ovat suunnilleen näkyvän valon aallonpituuden kokoisia”, Dionne lisää. ”Mutta ne auttavat meitä manipuloimaan fotoneja erittäin tarkasti saadaksemme ne pyörähtämään – kiertämään – tiettyyn suuntaan, esimerkiksi ylös tai alas.”

Pan selittää, että tämä kiertynyt valo voidaan puolestaan lomittaa elektronien spiniin, jolloin syntyy kubitteja huonelämpötilassa. Tämä voisi lopulta johtaa kvanttiteknologioiden käyttöönottoon laajemmissa sovelluksissa, mahdollisesti mullistaen kryptografiaa, edistynyttä sensorointia, suurteholaskentaa, tekoälyä ja muita aloja.

Dionne ja Pan työskentelevät nyt nanorakenteensa parissa ja tutkivat muita TMDC-yhdistelmiä ja materiaaliyhdistelmiä saavuttaakseen entistä paremman kvanttitehon tai mahdollisesti paljastaakseen lisää kvanttifunktionaalisuutta, jollainen ei tällä hetkellä ole mahdollista huoneenlämmössä.

Vielä lupaavampaa on, että tutkijat etsivät tapoja integroida nanopiirinsä suurempiin kvanttiverkkoihin. Tätä varten tarvitaan uusia ja parempia valonlähteitä, modulaattoreita, ilmaisimia ja yhteyksiä, Dionne sanoo. Lopullisena visiona on pienentää kvanttijärjestelmiä niin paljon, että ne voidaan upottaa jokapäiväisiin laitteisiin, jolloin niistä voi tulla kaikkialla läsnä oleva osa modernia teknologista maisemaa – päivä, johon on vielä vuosia aikaa.

”Jos pystymme siihen, ehkä jonain päivänä voisimme tehdä kvanttilaskentaa matkapuhelimessa”, Pan sanoo hymyillen. ”Mutta se on yli 10 vuoden suunnitelma.”

Aiheesta aiemmin:

Magneetteja huonelämpöiseen kvanttilaskentaan

Kvanttietu osoitettu huoneenlämmössä