Quantencomputer sind, wie jeder weiß, der jemals einen Preis dafür gesehen hat, eine Plage. Sie benötigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-459°F), was in etwa der Temperatur des tiefen Weltraums und, zufälligerweise, der Temperatur der Geduld der meisten Menschen mit dieser Technologie entspricht. Aber Forscher der Stanford University haben ein nanoskopisches optisches Gerät entwickelt, das bei Raumtemperatur funktioniert, indem es die Quanteneigenschaften von Licht und Elektronen verknüpft. Dies könnte zu kleineren, billigeren Quantentechnologien führen, die tatsächlich Informationen über große Entfernungen übertragen können, ohne dass eine Kryoanlage erforderlich ist.
Das Gerät ermöglicht die Verschränkung zwischen Photonen (Lichtteilchen) und Elektronen, eine grundlegende Voraussetzung für die Quantenkommunikation. Jennifer Dionne, Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Stanford und leitende Autorin der in Nature Communications veröffentlichten Studie, stellt fest, dass das Material nicht neu ist, aber die Art und Weise, wie sie es verwenden, schon. „Es bietet eine sehr vielseitige, stabile Spin-Verbindung zwischen Elektronen und Photonen, die die theoretische Grundlage der Quantenkommunikation darstellt“, sagt sie. „Normalerweise verlieren die Elektronen jedoch ihren Spin zu schnell, um nützlich zu sein.“ Also haben sie das behoben.
Der Apparat kombiniert eine dünne, strukturierte Schicht aus Molybdändiselenid (MoSe2) mit einem nanostrukturierten Siliziumsubstrat. Molybdändiselenid gehört zu einer Familie namens Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs), die für ihre optischen und quantenmechanischen Eigenschaften geschätzt werden. Die Silizium-Nanostrukturen erzeugen das, was die Forscher „verdrilltes Licht“ nennen. Feng Pan, Postdoktorand und Erstautor der Arbeit, erklärt: „Die Photonen drehen sich korkenzieherartig, aber noch wichtiger ist, dass wir diese rotierenden Photonen nutzen können, um Elektronen einen Spin zu verleihen, die das Herzstück des Quantencomputings sind.“ Es ist also im Grunde ein sehr kleiner, sehr präziser Lichtverdriller.
Die strukturierten Nanostrukturen sind etwa so groß wie die Wellenlängen des sichtbaren Lichts – für das bloße Auge unsichtbar, aber entscheidend für die Manipulation von Photonen, um sie nach oben oder unten zu drehen. Dieses verdrillte Licht kann sich mit Elektronenspins verschränken und so Qubits erzeugen, die Bausteine der Quanteninformation. In der konventionellen Datenverarbeitung sind es Nullen und Einsen; in der Quantenwelt nutzen Qubits Quanteneffekte, um Dinge anders zu machen. Die große Hürde war die Dekohärenz – der Verlust von Quanteninformation –, die normalerweise extreme Kühlung erfordert, um sie zu verhindern. Dieses Gerät umgeht dies, indem es bei Raumtemperatur arbeitet, was es relativ billig und praktisch macht.
Bei weiterer Entwicklung könnte die Technologie sichere Kommunikation, fortschrittliche Sensorik, Hochleistungsrechnen und künstliche Intelligenz verbessern. Das Team wählte TMDC-Materialien wegen ihrer ungewöhnlichen Quanteneigenschaften und arbeitete mit den Stanford-Forschern Fang Liu und Tony Heinz zusammen, die sich auf diese Materialien spezialisiert haben. „Es kommt alles auf dieses Material und unseren Siliziumchip an“, sagt Pan. „Zusammen schränken sie das Verdrillen des Lichts effizient ein und verstärken es, um eine starke Kopplung des Spins zwischen Photonen und Elektronen zu erzeugen. Dies stabilisiert den Quantenzustand, der Quantenkommunikation ermöglicht.“
Die Forscher arbeiten weiter an der Verbesserung des Geräts und untersuchen zusätzliche TMDC-Materialien und Kombinationen für eine bessere Leistung. Sie untersuchen auch, ob diese Systeme neue Quantenfähigkeiten freisetzen könnten, die derzeit bei Raumtemperatur nicht möglich sind. Ein langfristiges Ziel ist die Integration solcher Geräte in größere Quantennetzwerke, was Verbesserungen bei Lichtquellen, Modulatoren, Detektoren und Verbindungen erfordert. Letztendlich hoffen sie, dass Quantenkomponenten für alltägliche Elektronik miniaturisiert werden können. „Wenn uns das gelingt, könnten wir vielleicht eines Tages Quantencomputing in einem Handy betreiben“, sagt Pan mit einem Lächeln. „Aber das ist ein 10-Jahres-Plan.“ Also haltet die Luft an, aber plant vielleicht schon mal für ein viel kühleres Telefon.