الحواسيب الكمومية، كما يعرف أي شخص سبق له أن سأل عن سعرها، هي مصدر إزعاج. فهي تتطلب درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-459° فهرنهايت)، وهي تقريبًا درجة حرارة الفضاء السحيق، وبالصدفة، درجة حرارة صبر معظم الناس تجاه هذه التكنولوجيا. لكن باحثين في جامعة ستانفورد طوروا جهازًا بصريًا نانويًا يعمل في درجة حرارة الغرفة من خلال ربط الخصائص الكمومية للضوء والإلكترونات. قد يؤدي هذا إلى تقنيات كمومية أصغر وأرخص يمكنها فعلاً نقل المعلومات عبر مسافات طويلة دون الحاجة إلى منشأة تبريد فائقة.
يُمكّن الجهاز من التشابك بين الفوتونات (جسيمات الضوء) والإلكترونات، وهو شرط أساسي للاتصال الكمومي. تقول جينيفر ديون، أستاذة علوم وهندسة المواد في ستانفورد والمؤلفة الرئيسية للدراسة المنشورة في Nature Communications، إن المادة ليست جديدة، لكن طريقة استخدامها هي الجديدة. وتضيف: "إنها توفر اتصالاً مغزليًا متعدد الاستخدامات ومستقرًا بين الإلكترونات والفوتونات، وهو الأساس النظري للاتصال الكمومي. لكن عادةً، تفقد الإلكترونات مغزلها بسرعة كبيرة لتكون مفيدة." لذا قاموا بإصلاح ذلك.
يجمع الجهاز بين طبقة رقيقة منقوشة من ثنائي سيلينيد الموليبدينوم (MoSe2) وطبقة أساس من السيليكون نانوية النقش. ينتمي ثنائي سيلينيد الموليبدينوم إلى عائلة تسمى ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs)، والتي تُقدر بخصائصها البصرية والكمومية. تولد الهياكل النانوية السيليكونية ما يسميه الباحثون "الضوء الملتوي". يشرح فنج بان، باحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف الأول للورقة: "تدور الفوتونات بشكل حلزوني، لكن الأهم من ذلك، يمكننا استخدام هذه الفوتونات الدوارة لنقل المغزل إلى الإلكترونات التي هي قلب الحوسبة الكمومية." لذا فهي في الأساس أداة صغيرة جدًا ودقيقة جدًا لالتواء الضوء.
يبلغ حجم الهياكل النانوية المنقوشة حوالي أطوال موجات الضوء المرئي - غير مرئية للعين المجردة، لكنها حاسمة للتلاعب بالفوتونات لجعلها تدور لأعلى أو لأسفل. يمكن لهذا الضوء الملتوي أن يتشابك مع مغازل الإلكترونات، مكونًا الكيوبتات، وهي لبنات بناء المعلومات الكمومية. في الحوسبة التقليدية، هي أصفار وواحدات؛ في الكمومية، تستغل الكيوبتات التأثيرات الكمومية لفعل الأشياء بشكل مختلف. كانت العقبة الكبيرة هي فقدان الترابط الكمومي - فقدان المعلومات الكمومية - والذي يتطلب عادةً تبريدًا شديدًا لمنعه. يتجاوز هذا الجهاز ذلك بالعمل في درجة حرارة الغرفة، مما يجعله غير مكلف نسبيًا وعمليًا.
إذا تم تطويره أكثر، يمكن للتكنولوجيا تعزيز الاتصالات الآمنة، والاستشعار المتقدم، والحوسبة عالية الأداء، والذكاء الاصطناعي. اختار الفريق مواد TMDC لخصائصها الكمومية غير العادية، بالتعاون مع باحثي ستانفورد فانج ليو وتوني هاينز، المتخصصين في هذه المواد. يقول بان: "الأمر كله يعود إلى هذه المادة وشريحة السيليكون لدينا. معًا، يحصران ويعززان التواء الضوء بكفاءة لخلق اقتران قوي للمغزل بين الفوتونات والإلكترونات. هذا يثبت الحالة الكمومية التي تجعل الاتصال الكمومي ممكنًا."
يواصل الباحثون تحسين الجهاز، واستكشاف مواد TMDC إضافية وتركيبات لأداء أفضل. كما يبحثون فيما إذا كانت هذه الأنظمة قد تفتح إمكانيات كمومية جديدة غير ممكنة حاليًا في درجة حرارة الغرفة. الهدف طويل المدى هو دمج هذه الأجهزة في شبكات كمومية أكبر، مما يتطلب تحسينات في مصادر الضوء، والمعدلات، والكاشفات، والوصلات البينية. في النهاية، يأملون في تصغير المكونات الكمومية للإلكترونيات اليومية. يقول بان مبتسمًا: "إذا تمكنا من فعل ذلك، ربما يومًا ما يمكننا إجراء حوسبة كمومية في هاتف خلوي. لكن هذه خطة لعشر سنوات أو أكثر." لذا لا تحبس أنفاسك، لكن ربما ابدأ بالتخطيط لهاتف أكثر برودة بكثير.