Komputery kwantowe, jak każdy, kto kiedykolwiek wycenił jeden z nich, wie, są utrapieniem. Wymagają temperatur bliskich zera absolutnego (-459°F), czyli mniej więcej temperatury głębokiego kosmosu i, przypadkiem, temperatury cierpliwości większości ludzi wobec tej technologii. Ale naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opracowali nanoskopowe urządzenie optyczne, które działa w temperaturze pokojowej, łącząc kwantowe właściwości światła i elektronów. Może to prowadzić do mniejszych, tańszych technologii kwantowych, które faktycznie mogą przesyłać informacje na duże odległości bez potrzeby stosowania instalacji kriogenicznej.

Urządzenie umożliwia splątanie między fotonami (cząstkami światła) a elektronami, co jest podstawowym wymogiem komunikacji kwantowej. Jennifer Dionne, profesor inżynierii materiałowej i mechanicznej na Stanfordzie oraz starsza autorka badania opublikowanego w Nature Communications, zauważa, że materiał nie jest nowy, ale sposób, w jaki go używają, już tak. „Zapewnia bardzo wszechstronne, stabilne połączenie spinowe między elektronami a fotonami, które jest teoretyczną podstawą komunikacji kwantowej” – mówi. „Zazwyczaj jednak elektrony tracą swój spin zbyt szybko, aby były użyteczne”. Więc to naprawili.

Urządzenie łączy cienką, wzorzystą warstwę diselenku molibdenu (MoSe2) z nanopatentowanym podłożem krzemowym. Diselenek molibdenu należy do rodziny zwanej dichalkogenkami metali przejściowych (TMDC), które są cenione za swoje właściwości optyczne i kwantowe. Nanostruktury krzemowe generują to, co naukowcy nazywają „skręconym światłem”. Feng Pan, doktorant i pierwszy autor artykułu, wyjaśnia: „Fotony wirują w kształcie korkociągu, ale co ważniejsze, możemy użyć tych wirujących fotonów, aby nadać spin elektronom, które są sercem obliczeń kwantowych”. Więc to w zasadzie bardzo mały, bardzo precyzyjny skręcacz światła.

Wzorzyste nanostruktury są wielkości mniej więcej długości fali światła widzialnego – niewidoczne gołym okiem, ale kluczowe do manipulowania fotonami, aby wirowały w górę lub w dół. To skręcone światło może splątać się ze spinami elektronów, tworząc kubity, czyli elementy składowe informacji kwantowej. W konwencjonalnym przetwarzaniu są to zera i jedynki; w kwantowym kubity wykorzystują efekty kwantowe, aby robić rzeczy inaczej. Główną przeszkodą była dekoherencja – utrata informacji kwantowej – która zwykle wymaga ekstremalnego chłodzenia, aby jej zapobiec. To urządzenie omija ten problem, działając w temperaturze pokojowej, co czyni je stosunkowo tanim i praktycznym.

Jeśli dalej rozwijane, technologia może usprawnić bezpieczną komunikację, zaawansowane czujniki, obliczenia wysokiej wydajności i sztuczną inteligencję. Zespół wybrał materiały TMDC ze względu na ich niezwykłe właściwości kwantowe, współpracując z badaczami ze Stanforda, Fang Liu i Tonym Heinzem, którzy specjalizują się w tych materiałach. „Wszystko sprowadza się do tego materiału i naszego krzemowego chipa” – mówi Pan. „Razem skutecznie ograniczają i wzmacniają skręcanie światła, tworząc silne sprzężenie spinowe między fotonami a elektronami. To stabilizuje stan kwantowy, który umożliwia komunikację kwantową”.

Naukowcy kontynuują ulepszanie urządzenia, badając dodatkowe materiały TMDC i kombinacje dla lepszej wydajności. Badają również, czy te systemy mogą odblokować nowe możliwości kwantowe, które nie są obecnie możliwe w temperaturze pokojowej. Długoterminowym celem jest integracja takich urządzeń w większe sieci kwantowe, co wymaga ulepszeń w źródłach światła, modulatorach, detektorach i łączach. Ostatecznie mają nadzieję, że komponenty kwantowe będą mogły być zminiaturyzowane do codziennej elektroniki. „Jeśli nam się to uda, może pewnego dnia będziemy mogli przeprowadzać obliczenia kwantowe w telefonie komórkowym” – mówi Pan z uśmiechem. „Ale to plan na 10-plus lat”. Więc nie wstrzymuj oddechu, ale może zacznij planować znacznie fajniejszy telefon.