Quantumcomputers, zoals iedereen die ooit een prijs heeft opgevraagd weet, zijn een gedoe. Ze vereisen temperaturen nabij het absolute nulpunt (-273°C), wat ongeveer de temperatuur is van de diepe ruimte en, toevallig, de temperatuur van het geduld van de meeste mensen met de technologie. Maar onderzoekers van Stanford University hebben een nanoscopisch optisch apparaat ontwikkeld dat werkt op kamertemperatuur door de quantumeigenschappen van licht en elektronen te koppelen. Dit zou kunnen leiden tot kleinere, goedkopere quantumtechnologieën die daadwerkelijk informatie over lange afstanden kunnen verzenden zonder dat er een cryogene installatie nodig is.
Het apparaat maakt verstrengeling mogelijk tussen fotonen (lichtdeeltjes) en elektronen, een fundamentele vereiste voor quantumcommunicatie. Jennifer Dionne, hoogleraar materiaalkunde en -techniek aan Stanford en senior auteur van de studie gepubliceerd in Nature Communications, merkt op dat het materiaal niet nieuw is, maar de manier waarop ze het gebruiken wel. "Het biedt een zeer veelzijdige, stabiele spinverbinding tussen elektronen en fotonen die de theoretische basis vormt van quantumcommunicatie," zegt ze. "Maar normaal gesproken verliezen de elektronen hun spin te snel om nuttig te zijn." Dus hebben ze dat opgelost.
Het apparaat combineert een dunne gestructureerde laag molybdeendiselenide (MoSe2) met een nanopatronen siliciumsubstraat. Molybdeendiselenide maakt deel uit van een familie genaamd overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's), die gewaardeerd worden om hun optische en quantumeigenschappen. De siliciumnanostructuren genereren wat de onderzoekers "gedraaid licht" noemen. Feng Pan, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het artikel, legt uit: "De fotonen draaien als een kurkentrekker, maar belangrijker is dat we deze draaiende fotonen kunnen gebruiken om spin over te brengen op elektronen die de kern vormen van quantumcomputing." Het is dus eigenlijk een heel kleine, zeer precieze lichtdraaier.
De gestructureerde nanostructuren zijn ongeveer zo groot als de golflengtes van zichtbaar licht - onzichtbaar voor het blote oog, maar cruciaal voor het manipuleren van fotonen om omhoog of omlaag te draaien. Dit gedraaide licht kan verstrengeld raken met elektronenspins, waardoor qubits ontstaan, de bouwstenen van quantuminformatie. In conventionele computers zijn het nullen en enen; in quantum gebruiken qubits quantumeffecten om dingen anders te doen. De grote hindernis is decoherentie - het verlies van quantuminformatie - wat meestal extreme koeling vereist om te voorkomen. Dit apparaat omzeilt dat door te werken op kamertemperatuur, waardoor het relatief goedkoop en praktisch is.
Als het verder wordt ontwikkeld, zou de technologie veilige communicatie, geavanceerde detectie, high-performance computing en kunstmatige intelligentie kunnen stimuleren. Het team koos TMDC-materialen vanwege hun ongebruikelijke quantumkarakteristieken, in samenwerking met Stanford-onderzoekers Fang Liu en Tony Heinz, die gespecialiseerd zijn in deze materialen. "Het draait allemaal om dit materiaal en onze siliciumchip," zegt Pan. "Samen beperken en versterken ze het draaien van licht efficiënt om een sterke koppeling van spin tussen fotonen en elektronen te creëren. Dit stabiliseert de quantumtoestand die quantumcommunicatie mogelijk maakt."
De onderzoekers blijven het apparaat verbeteren, waarbij ze extra TMDC-materialen en combinaties onderzoeken voor betere prestaties. Ze onderzoeken ook of deze systemen nieuwe quantummogelijkheden kunnen ontsluiten die momenteel niet mogelijk zijn bij kamertemperatuur. Een langetermijndoel is het integreren van dergelijke apparaten in grotere quantumnetwerken, wat verbeteringen vereist in lichtbronnen, modulatoren, detectoren en interconnecties. Uiteindelijk hopen ze dat quantumcomponenten kunnen worden geminiaturiseerd voor alledaagse elektronica. "Als we dat kunnen doen, kunnen we misschien ooit quantumcomputing in een mobiele telefoon doen," zegt Pan met een glimlach. "Maar dat is een plan van 10-plus jaar." Dus houd je adem niet in, maar begin misschien alvast te plannen voor een veel koelere telefoon.