Kvantdatorer, som alla som någonsin prissatt en vet, är ett elände. De kräver temperaturer nära absoluta nollpunkten (-459°F), vilket är ungefär temperaturen i yttre rymden och, sammanträffande nog, temperaturen på de flestas tålamod med tekniken. Men forskare vid Stanford University har utvecklat en nanoskopisk optisk enhet som fungerar i rumstemperatur genom att koppla samman kvantegenskaperna hos ljus och elektroner. Detta kan leda till mindre, billigare kvantteknologier som faktiskt kan överföra information över långa avstånd utan att kräva en kryogen anläggning.

Enheten möjliggör sammanflätning mellan fotoner (ljuspartiklar) och elektroner, en grundläggande förutsättning för kvantkommunikation. Jennifer Dionne, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford och senior författare till studien publicerad i Nature Communications, påpekar att materialet inte är nytt, men sättet de använder det på är det. "Det ger en mycket mångsidig, stabil spinnkoppling mellan elektroner och fotoner som är den teoretiska grunden för kvantkommunikation," säger hon. "Vanligtvis förlorar dock elektronerna sitt spinn för snabbt för att vara användbara." Så de fixade det.

Apparaten kombinerar ett tunt mönstrat lager av molybdendiselenid (MoSe2) med ett nanopatronerat kiselsubstrat. Molybdendiselenid tillhör en familj som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), som är uppskattade för sina optiska och kvantmekaniska egenskaper. Kiselnanostrukturerna genererar vad forskarna kallar "tvinnat ljus." Feng Pan, postdoktor och första författare till artikeln, förklarar: "Fotonerna snurrar i en korkskruvsliknande rörelse, men ännu viktigare, vi kan använda dessa snurrande fotoner för att överföra spinn till elektroner som är hjärtat i kvantdatorer." Så det är i princip en väldigt liten, väldigt precis ljustvinnare.

De mönstrade nanostrukturerna är ungefär lika stora som synliga ljusvåglängder – osynliga för blotta ögat, men avgörande för att manipulera fotoner att snurra upp eller ner. Detta tvinnade ljus kan bli sammanflätat med elektronspinn, vilket skapar kvantbitar, byggstenarna för kvantinformation. I konventionell datoranvändning är det ettor och nollor; i kvantvärlden utnyttjar kvantbitar kvanteffekter för att göra saker annorlunda. Det stora hindret har varit dekoherens – förlusten av kvantinformation – som vanligtvis kräver extrem nedkylning för att förhindras. Denna enhet kringgår detta genom att fungera i rumstemperatur, vilket gör den relativt billig och praktisk.

Om den vidareutvecklas kan tekniken boosta säker kommunikation, avancerad avkänning, högpresterande datoranvändning och artificiell intelligens. Teamet valde TMDC-material för deras ovanliga kvantegenskaper, i samarbete med Stanford-forskarna Fang Liu och Tony Heinz, som specialiserar sig på dessa material. "Allt handlar om detta material och vårt kiselchip," säger Pan. "Tillsammans begränsar och förstärker de effektivt ljusets tvinnande för att skapa en stark koppling av spinn mellan fotoner och elektroner. Detta stabiliserar kvanttillståndet som gör kvantkommunikation möjlig."

Forskarna fortsätter att förbättra enheten, utforska ytterligare TMDC-material och kombinationer för bättre prestanda. De undersöker också om dessa system kan låsa upp nya kvantförmågor som för närvarande inte är möjliga i rumstemperatur. Ett långsiktigt mål är att integrera sådana enheter i större kvantnätverk, vilket kräver förbättringar av ljuskällor, modulatorer, detektorer och sammankopplingar. I slutändan hoppas de att kvantkomponenter kan miniatyriseras för vardaglig elektronik. "Om vi kan göra det, kanske vi en dag kan göra kvantdatorer i en mobiltelefon," säger Pan med ett leende. "Men det är en 10-plus-årsplan." Så håll inte andan, men börja kanske planera för en mycket coolare telefon.