Polští vědci objevili 2D materiál, který emituje jednotlivé fotony – klíč k budoucím kvantovým čipům

Vědci z Fyzikální fakulty Varšavské univerzity v Polsku, ve spolupráci s výzkumníky z Národní univerzity v Singapuru a Radboudovy univerzity v Nizozemsku, pozorovali emisi jednotlivých fotonů z vrstveného dvourozměrného materiálu ZnPS3.

Vědci z Fyzikální fakulty Varšavské univerzity v Polsku, ve spolupráci s výzkumníky z Národní univerzity v Singapuru a Radboudovy univerzity v Nizozemsku, pozorovali emisi jednotlivých fotonů z vrstveného dvourozměrného materiálu ZnPS3. Tento objev představuje zásadní krok k využití nízkorozměrných materiálů v kvantové informatice.

Kvantové počítání je považováno za další hranici výpočetní techniky. Kvantové počítače, které jsou v současné době ve vývoji, by po komerčním zpřístupnění ve velkém měřítku předčily i ty nejrychlejší superpočítače dneška. Je to možné díky jejich základní technologii: namísto binárních bitů používají kvantové bity neboli qubity, které mohou ukládat více hodnot mezi 0 a 1. Při výpočtech mohou tyto hodnoty využívat a provádět výpočty paralelně, což je exponenciálně zrychluje oproti klasickým počítačům.

Potenciál kvantového počítání podnítil startupy i univerzity k hledání materiálů, které by mohly být použity jako qubity. Většina dosavadních přístupů vyžaduje, aby byly materiály chlazeny na teploty blízké absolutní nule, aby bylo možné detekovat a manipulovat s kvantovými stavy. Ačkoli to funguje pro výzkumná prostředí, pro škálování kvantového počítání je nezbytná funkčnost při pokojové teplotě. Barevná centra v diamantech byla široce zkoumána pro kvantové systémy a ukázala slibné výsledky. Nicméně, nástup nové třídy materiálů, dvourozměrných van der Waalsových vrstvených krystalů, odhalil nedostatky diamantů. 2D krystaly lze snadno přenášet a umisťovat na jakýkoli substrát, což umožňuje bezproblémovou integraci do miniaturních obvodů, křemíkových čipů a dokonce i optických vláken. Hlavní výhodou této všestrannosti je, že umožňuje návrh vícekomponentních obvodů na jediném čipu, což otevírá cestu k integrovaným kvantovým procesorům.

Polští vědci z Varšavské univerzity zkoumali tenké vločky trisulfidu zinku a fosforu (ZnPS3), kde tloušťka materiálu byla v nanometrech. Materiál má široký zakázaný pás 3,63 eV. Materiál s takto širokým zakázaným pásem vyžaduje velké množství energie k uvolnění elektronů. To jim umožňuje pracovat při vyšších napětích a teplotách, zatímco procesory mohou běžet na vyšších frekvencích bez výrazných energetických ztrát. Materiály s vyšším zakázaným pásem vyžadují menší chladicí systémy a mohou být zmenšeny více než hardware na bázi křemíku. Když vědci excitovali materiál laserem, bodová vada v jeho krystalové mřížce generovala proud fotonů. Fotony byly vysoce polarizované, což je užitečná vlastnost při práci na přístupech, jako je kvantová kryptografie. Hlavní část jejich práce však spočívala v určení mikroskopického mechanismu, který umožnil emisi jednotlivých fotonů. Hypotéza vědců je, že zdrojem emise jsou volná místa po jednotlivých atomech fosforu. Výsledky výzkumu byly publikovány v prestižním časopise ACS Nano.