Průlom ze Stanfordu: Kvantové počítače by mohly fungovat bez extrémního chlazení díky zkroucenému světlu

Vědci ze Stanfordovy univerzity učinili významný krok k praktické kvantové technologii. Vyvinuli miniaturní optické zařízení, které funguje při pokojové teplotě a dokáže propojit kvantové vlastnosti světla a elektronů.

Vědci ze Stanfordovy univerzity učinili významný krok k praktické kvantové technologii. Vyvinuli miniaturní optické zařízení, které funguje při pokojové teplotě a dokáže propojit kvantové vlastnosti světla a elektronů. Tento objev by mohl otevřít cestu k menším a levnějším kvantovým systémům, které najdou uplatnění v oblastech od zabezpečené komunikace po budoucí umělou inteligenci a výpočetní platformy.

Současné kvantové počítače jsou proslule obtížné a nákladné na provoz, neboť většina z nich vyžaduje teploty blízké absolutní nule (přibližně -273 °C), aby udržely křehké kvantové stavy potřebné pro výpočty a komunikaci. Nové zařízení, vyvinuté na Stanfordu, funguje při pokojové teplotě a propojuje fotony (částice světla) s elektrony, což je považováno za základní požadavek pro budoucí kvantové komunikační systémy.

„Materiál sám o sobě není nový, ale způsob, jakým ho používáme, ano,“ říká Jennifer Dionne, profesorka materiálových věd a inženýrství na Stanfordu a hlavní autorka studie publikované v Nature Communications. Zařízení kombinuje tenkou vrstvu diselenidu molybdenu (MoSe2) s nanostrukturovaným křemíkovým substrátem. Diselenid molybdenu patří do rodiny materiálů známých jako dichalkogenidy přechodných kovů (TMDC), ceněných pro své jedinečné optické a kvantové vlastnosti.

Křemíkové nanostruktury hrají klíčovou roli tím, že generují takzvané „zkroucené světlo“. „Fotony se točí šroubovitě, ale co je důležitější, můžeme tyto rotující fotony použít k předání rotace elektronům, které jsou srdcem kvantového počítání,“ vysvětluje Feng Pan, postdoktorand v laboratoři Dionne a první autor práce. Tyto nanostruktury jsou nepatrné, přibližně o velikosti vlnové délky viditelného světla.

Jednodušší cesta ke kvantové komunikaci

Výzkumníci mohou toto zkroucené světlo použít k provázání s rotací elektronů, čímž vytvářejí qubity – základní stavební kameny kvantových informačních systémů. Zatímco v konvenčním počítání jsou informace reprezentovány nulami a jedničkami, qubity využívají kvantově mechanické efekty k novým způsobům zpracování a přenosu informací.

Jednou z největších výzev kvantových technologií je udržení stabilních kvantových stavů. V mnoha stávajících systémech je nutné extrémní chlazení, aby se zabránilo dekoherenci, při které se ztrácí citlivá kvantová informace. Jelikož nové zařízení funguje při pokojové teplotě, vyhýbá se jedné z hlavních překážek, která omezovala široké rozšíření kvantových technologií. Kompaktní design je navíc relativně levný a praktický ve srovnání s mnoha současnými kvantovými systémy.

Tato technologie by v případě dalšího vývoje mohla přispět k pokroku v zabezpečené komunikaci, pokročilém snímání, vysoce výkonném počítání, umělé inteligenci a dalších vznikajících aplikacích. Tým nadále pracuje na vylepšování zařízení a zkoumá další materiály a jejich kombinace, které by mohly přinést ještě lepší výkon. Dlouhodobým cílem je integrace těchto zařízení do větších kvantových sítí a jejich miniaturizace natolik, aby je bylo možné začlenit do každodenní elektroniky. „Pokud se nám to podaří, možná bychom jednoho dne mohli mít kvantové počítání v mobilním telefonu,“ říká Pan s úsměvem, „ale to je plán na více než 10 let.“