Квантовые компьютеры, как знает любой, кто когда-либо оценивал их стоимость, — это головная боль. Им требуются температуры, близкие к абсолютному нулю (-459°F), что примерно равно температуре глубокого космоса и, по совпадению, температуре терпения большинства людей к этой технологии. Но исследователи из Стэнфордского университета разработали наноразмерное оптическое устройство, работающее при комнатной температуре, связывая квантовые свойства света и электронов. Это может привести к созданию более мелких и дешёвых квантовых технологий, способных передавать информацию на большие расстояния без необходимости в криогенной установке.

Устройство обеспечивает запутанность между фотонами (частицами света) и электронами — фундаментальное требование для квантовой связи. Дженнифер Дионн, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде и старший автор исследования, опубликованного в Nature Communications, отмечает, что материал не новый, но способ его использования — да. «Он обеспечивает очень универсальную, стабильную спиновую связь между электронами и фотонами, которая является теоретической основой квантовой связи, — говорит она. — Однако обычно электроны теряют свой спин слишком быстро, чтобы быть полезными». Так что они это исправили.

Устройство сочетает тонкий узорчатый слой дисленида молибдена (MoSe2) с наноузорчатой кремниевой подложкой. Дисленид молибдена относится к семейству дихалькогенидов переходных металлов (TMDC), которые ценятся за свои оптические и квантовые свойства. Кремниевые наноструктуры генерируют то, что исследователи называют «скрученным светом». Фэн Пан, постдокторант и первый автор статьи, объясняет: «Фотоны вращаются по спирали, но, что более важно, мы можем использовать эти вращающиеся фотоны, чтобы передавать спин электронам, которые являются сердцем квантовых вычислений». Так что это, по сути, очень маленький и очень точный скручиватель света.

Узорчатые наноструктуры имеют размер примерно равный длине волны видимого света — невидимы невооружённым глазом, но критически важны для манипуляции фотонами, заставляя их вращаться вверх или вниз. Этот скрученный свет может запутываться с электронными спинами, создавая кубиты — строительные блоки квантовой информации. В обычных вычислениях это нули и единицы; в квантовых кубиты используют квантовые эффекты, чтобы делать всё иначе. Главным препятствием была декогеренция — потеря квантовой информации, — которая обычно требует экстремального охлаждения для предотвращения. Это устройство обходит эту проблему, работая при комнатной температуре, что делает его относительно недорогим и практичным.

При дальнейшем развитии технология может улучшить безопасную связь, передовые сенсоры, высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект. Команда выбрала материалы TMDC за их необычные квантовые характеристики, сотрудничая с исследователями Стэнфорда Фан Лю и Тони Хайнцем, которые специализируются на этих материалах. «Всё сводится к этому материалу и нашему кремниевому чипу, — говорит Пан. — Вместе они эффективно ограничивают и усиливают скручивание света, создавая сильную связь спина между фотонами и электронами. Это стабилизирует квантовое состояние, делающее возможной квантовую связь».

Исследователи продолжают улучшать устройство, изучая дополнительные материалы TMDC и их комбинации для повышения производительности. Они также исследуют, могут ли эти системы открыть новые квантовые возможности, недоступные при комнатной температуре. Долгосрочная цель — интеграция таких устройств в более крупные квантовые сети, что потребует улучшения источников света, модуляторов, детекторов и межсоединений. В конечном итоге они надеются миниатюризировать квантовые компоненты для повседневной электроники. «Если мы сможем это сделать, возможно, когда-нибудь мы сможем заниматься квантовыми вычислениями в мобильном телефоне», — с улыбкой говорит Пан. «Но это план на 10 с лишним лет». Так что не задерживайте дыхание, но, возможно, начните планировать гораздо более крутой телефон.