Calculatoarele cuantice, după cum știe oricine s-a interesat vreodată de prețul lor, sunt o pacoste. Au nevoie de temperaturi apropiate de zero absolut (-459°F), adică aproximativ temperatura spațiului cosmic și, coincidență, temperatura răbdării majorității oamenilor cu această tehnologie. Dar cercetătorii de la Universitatea Stanford au dezvoltat un dispozitiv optic nanometric care funcționează la temperatura camerei, legând proprietățile cuantice ale luminii și electronilor. Asta ar putea duce la tehnologii cuantice mai mici, mai ieftine, care pot transmite informații pe distanțe lungi fără a necesita o instalație criogenică.

Dispozitivul permite încâlcirea între fotoni (particule de lumină) și electroni, o cerință fundamentală pentru comunicarea cuantică. Jennifer Dionne, profesor de știința materialelor și inginerie la Stanford și autoarea principală a studiului publicat în Nature Communications, observă că materialul nu este nou, dar modul în care îl folosesc este. „Oferă o conexiune de spin foarte versatilă și stabilă între electroni și fotoni, care este baza teoretică a comunicării cuantice”, spune ea. „De obicei, însă, electronii își pierd spinul prea repede pentru a fi utili.” Așa că au reparat asta.

Contrapția combină un strat subțire modelat de diseleniură de molibden (MoSe2) cu un substrat de siliciu nanostructurat. Diseleniura de molibden face parte dintr-o familie numită dicalcogenuri de metale tranziționale (TMDC), apreciate pentru proprietățile lor optice și cuantice. Nanostructurile de siliciu generează ceea ce cercetătorii numesc „lumină răsucită”. Feng Pan, cercetător postdoctoral și primul autor al lucrării, explică: „Fotonii se rotesc în spirală, dar mai important, putem folosi acești fotoni rotitori pentru a imprima spin electronilor care sunt inima calculului cuantic.” Deci este practic un foarte mic și foarte precis răsucitor de lumină.

Nanostructurile modelate au aproximativ dimensiunea lungimilor de undă ale luminii vizibile – invizibile cu ochiul liber, dar cruciale pentru manipularea fotonilor pentru a se roti în sus sau în jos. Această lumină răsucită poate deveni încâlcită cu spinii electronilor, creând qubiți, blocurile de construcție ale informației cuantice. În calculatoarele convenționale, sunt zerouri și unu; în cele cuantice, qubiții exploatează efecte cuantice pentru a face lucrurile diferit. Obstacolul mare a fost decoerența – pierderea informației cuantice – care de obicei necesită răcire extremă pentru a fi prevenită. Acest dispozitiv o ocolește funcționând la temperatura camerei, făcându-l relativ ieftin și practic.

Dacă va fi dezvoltat în continuare, tehnologia ar putea stimula comunicațiile securizate, detectarea avansată, calculatoarele de înaltă performanță și inteligența artificială. Echipa a ales materialele TMDC pentru caracteristicile lor cuantice neobișnuite, colaborând cu cercetătorii de la Stanford Fang Liu și Tony Heinz, specializați în aceste materiale. „Totul se reduce la acest material și la cipul nostru de siliciu”, spune Pan. „Împreună, ele confinează și amplifică eficient răsucirea luminii pentru a crea o cuplare puternică a spinului între fotoni și electroni. Asta stabilizează starea cuantică care face posibilă comunicarea cuantică.”

Cercetătorii continuă să îmbunătățească dispozitivul, explorând materiale TMDC suplimentare și combinații pentru o performanță mai bună. De asemenea, investighează dacă aceste sisteme ar putea debloca noi capacități cuantice care nu sunt posibile în prezent la temperatura camerei. Un obiectiv pe termen lung este integrarea unor astfel de dispozitive în rețele cuantice mai mari, necesitând îmbunătățiri ale surselor de lumină, modulatorilor, detectoarelor și interconexiunilor. În cele din urmă, speră ca componentele cuantice să poată fi miniaturizate pentru electronice de zi cu zi. „Dacă putem face asta, poate într-o zi am putea face calcul cuantic într-un telefon mobil”, spune Pan cu un zâmbet. „Dar ăsta e un plan pe 10+ ani.” Așa că nu vă țineți respirația, dar poate începeți să plănuiți un telefon mult mai cool.