Δυνατότητα κβαντικής «αναβάθμισης» συμβατικών, κατά τα άλλα, ηλεκτρονικών συσκευών, υπόσχεται η δουλειά επιστημόνων του University of Chicago, που επιτρέπει την ενσωμάτωση και τον έλεγχο κβαντικών καταστάσεων (quantum states) σε ευρέως χρησιμοποιούμενες ηλεκτρονικές συσκευές φτιαγμένες από καρβίδιο του πυριτίου.
Μετά από δεκαετίες σμίκρυνσης, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα στα οποία βασιζόμαστε για τους υπολογιστές και τις σύγχρονες τεχνολογίες μας αρχίζουν να φτάνουν στα όριά τους (ο αποκαλούμενος νόμος του Μουρ). Ως εκ τούτου, μηχανικοί και επιστήμονες στρέφονται προς τις τεχνολογίες κβαντικών υπολογιστών, αντικείμενο των οποίων είναι η αξιοποίηση των κανόνων που διέπουν τα σωματίδια σε ατομικό επίπεδο- οι οποίοι όμως, ως τώρα θεωρούνταν πολύ «ευαίσθητοι» για να μπορούν να αξιοποιηθούν στο πλαίσιο της λειτουργίας των σημερινών ηλεκτρονικών συσκευών, όπως τα τηλέφωνα, τα laptops κ.α.
«Η δυνατότητα δημιουργίας και ελέγχου κβαντικών bits υψηλών επιδόσεων σε διαθέσιμα στο εμπόριο ηλεκτρονικά ήταν μια έκπληξη» είπε ο επικεφαλής ερευνητής, Ντέιβιντ Όσαλομ, καθηγητής μοριακής μηχανικής στο Uchicago. «Αυτές οι ανακαλύψεις έχουν αλλάξει τον τρόπο που σκεφτόμαστε ως προς την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών- ίσως να μπορούμε να βρούμε έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουμε τα σημερινά ηλεκτρονικά για να φτιάξουμε κβαντικές συσκευές».
Σε δύο επιστημονικά άρθρα που δημοσιεύτηκαν στο Science και στο Science Advances, η ομάδα του Όσαλομ έδειξε πως ήταν σε θέση να ελέγξει ηλεκτρικά κβαντικές καταστάσεις ενσωματωμένες σε καρβίδιο του πυριτίου. Το επίτευγμα αυτό θα μπορούσε να παρέχει έναν τρόπο ευκολότερου σχεδιασμού και κατασκευής κβαντικών ηλεκτρονικών- αντίθετα με τη χρήση των «εξωτικών» υλικών που χρειάζονται συνήθως οι επιστήμονες για τα κβαντικά πειράματα (διαμάντια, υπεραγώγιμα μέταλλα κ.α.).
Αυτές οι κβαντικές καταστάσεις στο καρβίδιο του πυριτίου έχουν το επιπρόσθετο πλεονέκτημα της εκπομπής μεμονωμένων σωματιδίων φωτός με μήκος κύματος κοντά στη μπάντα των τηλεπικοινωνιών. «Αυτό τις καθιστά κατάλληλες για μετάδοση μεγάλης απόστασης μέσω του ίδιου δικτύου οπτικής ίνας που ήδη μεταφέρει το 90% όλων των διεθνών δεδομένων παγκοσμίως» είπε ο Όσαλομ.
Επιπροσθέτως, αυτά τα σωματίδια μπορούν να αποκτήσουν νέες ιδιότητες όταν συνδυάζονται με υπάρχοντα ηλεκτρονικά. Για παράδειγμα, στο paper του Science Advances, η ομάδα ήταν σε θέση να δημιουργήσει κάτι που ο Όσαλομ χαρακτήρισε «quantum FM radio»- με τον ίδιο τρόπο που η μουσική μεταδίδεται στο ραδιόφωνο στο αυτοκίνητο, έτσι και η κβαντική πληροφορία μπορεί να αποσταλεί σε πολύ μεγάλες αποστάσεις.
«Όλη η θεωρία υποδεικνύει πως, για να επιτευχθεί καλός κβαντικός έλεγχος σε ένα υλικό, θα έπρεπε να είναι καθαρό και ελεύθερο από πεδία που παρουσιάζουν διακυμάνσεις» είπε ο Κέβιν Μιάο, τελειόφοιτος και ένας εκ των συντακτών του επιστημονικού άρθρου. «Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν πως, με σωστό σχεδιασμό, μια συσκευή δεν μπορεί απλά να αντισταθμίσει αυτές τις ατέλειες, αλλά επίσης να δημιουργήσιε επιπρόσθετες μορφές ελέγχου που προηγουμένως δεν ήταν δυνατές».
Στο σχετικό άρθρο στο Science, περιγράφεται ένα δεύτερο επίτευγμα, που έχει να κάνει με τον «θόρυβο» στην κβαντική τεχνολογία.
«Οι ατέλειες είναι κοινές σε όλες τις συσκευές- ημιαγωγούς, και σε κβαντικό επίπεδο αυτές οι ατέλειες μπορούν να προκαλέσουν πρόβλημα στην κβαντική πληροφορία δημιουργώντας ένα θορυβώδες ηλεκτρικό περιβάλλον» είπε ο Κρις Άντερσον, τελειόφοιτος και έτερος συντάκτης του άρθρου. Ωστόσο, μέσω της χρήσης ενός εκ των βασικών στοιχείων των ηλεκτρονικών- της διόδου, ενός μονής οδού διακόπτη για ηλεκτρόνια- η ομάδα ανακάλυψε κάτι ακόμα: Το κβαντικό σήμα ξαφνικά κατέστη ελεύθερο θορύβου, και ήταν επίσης απόλυτα σταθερό.
«Στα πειράματά μας πρέπει να χρησιμοποιούμε λέιζερ, που δυστυχώς αναστατώνουν τα ηλεκτρόνια. Είναι σαν ένα παιχνίδι μουσικών καρεκλών με ηλεκτρόνια- όταν σβήνει το φως, όλα σταματούν, αλλά σε διαφορετική διαρρύθμιση, είπε άλλος ένας από τους συντάκτες του άρθρου, ο Αλεξάντρ Μπουράσα. «Το πρόβλημα είναι πως αυτή η τυχαία διαρρύθμιση ηλεκτρονίων επηρεάζει την κβαντική μας κατάσταση. Αλλά διαπιστώσαμε πως η εφαρμογή ηλεκτρικών πεδίων απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από το σύστημα και το καθιστά πολύ πιο σταθερό».
Ενσωματώνοντας τα παράξενα χαρακτηριστικά και ιδιότητες της κβαντομηχανικής στις συμβατικές τεχνολογίες ημιαγωγών, ο Όσαλομ και η ομάδα του ανοίγουν τον δρόμο για την επερχόμενη κβαντική επανάσταση. «Αυτή η δουλειά μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην υλοποίηση συστημάτων ικανών για την αποθήκευση και διανομή κβαντικής πληροφορίας ανά τα δίκτυα οπτικής ίνας του κόσμου» είπε σχετικά. «Τέτοια κβαντικά δίκτυα θα μπορούσαν να φέρουν μια νέα κατηγορία τεχνολογιών, επιτρέποντας τη δημιουργία καναλιών επικοινωνίας που θα είναι αδύνατον να χακαριστούν, την τηλεμεταφορά καταστάσεων ηλεκτρονίων και την υλοποίηση ενός κβαντικού Ίντερνετ».
Μετά από δεκαετίες σμίκρυνσης, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα στα οποία βασιζόμαστε για τους υπολογιστές και τις σύγχρονες τεχνολογίες μας αρχίζουν να φτάνουν στα όριά τους (ο αποκαλούμενος νόμος του Μουρ). Ως εκ τούτου, μηχανικοί και επιστήμονες στρέφονται προς τις τεχνολογίες κβαντικών υπολογιστών, αντικείμενο των οποίων είναι η αξιοποίηση των κανόνων που διέπουν τα σωματίδια σε ατομικό επίπεδο- οι οποίοι όμως, ως τώρα θεωρούνταν πολύ «ευαίσθητοι» για να μπορούν να αξιοποιηθούν στο πλαίσιο της λειτουργίας των σημερινών ηλεκτρονικών συσκευών, όπως τα τηλέφωνα, τα laptops κ.α.
«Η δυνατότητα δημιουργίας και ελέγχου κβαντικών bits υψηλών επιδόσεων σε διαθέσιμα στο εμπόριο ηλεκτρονικά ήταν μια έκπληξη» είπε ο επικεφαλής ερευνητής, Ντέιβιντ Όσαλομ, καθηγητής μοριακής μηχανικής στο Uchicago. «Αυτές οι ανακαλύψεις έχουν αλλάξει τον τρόπο που σκεφτόμαστε ως προς την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών- ίσως να μπορούμε να βρούμε έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουμε τα σημερινά ηλεκτρονικά για να φτιάξουμε κβαντικές συσκευές».
Σε δύο επιστημονικά άρθρα που δημοσιεύτηκαν στο Science και στο Science Advances, η ομάδα του Όσαλομ έδειξε πως ήταν σε θέση να ελέγξει ηλεκτρικά κβαντικές καταστάσεις ενσωματωμένες σε καρβίδιο του πυριτίου. Το επίτευγμα αυτό θα μπορούσε να παρέχει έναν τρόπο ευκολότερου σχεδιασμού και κατασκευής κβαντικών ηλεκτρονικών- αντίθετα με τη χρήση των «εξωτικών» υλικών που χρειάζονται συνήθως οι επιστήμονες για τα κβαντικά πειράματα (διαμάντια, υπεραγώγιμα μέταλλα κ.α.).
Αυτές οι κβαντικές καταστάσεις στο καρβίδιο του πυριτίου έχουν το επιπρόσθετο πλεονέκτημα της εκπομπής μεμονωμένων σωματιδίων φωτός με μήκος κύματος κοντά στη μπάντα των τηλεπικοινωνιών. «Αυτό τις καθιστά κατάλληλες για μετάδοση μεγάλης απόστασης μέσω του ίδιου δικτύου οπτικής ίνας που ήδη μεταφέρει το 90% όλων των διεθνών δεδομένων παγκοσμίως» είπε ο Όσαλομ.
Επιπροσθέτως, αυτά τα σωματίδια μπορούν να αποκτήσουν νέες ιδιότητες όταν συνδυάζονται με υπάρχοντα ηλεκτρονικά. Για παράδειγμα, στο paper του Science Advances, η ομάδα ήταν σε θέση να δημιουργήσει κάτι που ο Όσαλομ χαρακτήρισε «quantum FM radio»- με τον ίδιο τρόπο που η μουσική μεταδίδεται στο ραδιόφωνο στο αυτοκίνητο, έτσι και η κβαντική πληροφορία μπορεί να αποσταλεί σε πολύ μεγάλες αποστάσεις.
«Όλη η θεωρία υποδεικνύει πως, για να επιτευχθεί καλός κβαντικός έλεγχος σε ένα υλικό, θα έπρεπε να είναι καθαρό και ελεύθερο από πεδία που παρουσιάζουν διακυμάνσεις» είπε ο Κέβιν Μιάο, τελειόφοιτος και ένας εκ των συντακτών του επιστημονικού άρθρου. «Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν πως, με σωστό σχεδιασμό, μια συσκευή δεν μπορεί απλά να αντισταθμίσει αυτές τις ατέλειες, αλλά επίσης να δημιουργήσιε επιπρόσθετες μορφές ελέγχου που προηγουμένως δεν ήταν δυνατές».
Στο σχετικό άρθρο στο Science, περιγράφεται ένα δεύτερο επίτευγμα, που έχει να κάνει με τον «θόρυβο» στην κβαντική τεχνολογία.
«Οι ατέλειες είναι κοινές σε όλες τις συσκευές- ημιαγωγούς, και σε κβαντικό επίπεδο αυτές οι ατέλειες μπορούν να προκαλέσουν πρόβλημα στην κβαντική πληροφορία δημιουργώντας ένα θορυβώδες ηλεκτρικό περιβάλλον» είπε ο Κρις Άντερσον, τελειόφοιτος και έτερος συντάκτης του άρθρου. Ωστόσο, μέσω της χρήσης ενός εκ των βασικών στοιχείων των ηλεκτρονικών- της διόδου, ενός μονής οδού διακόπτη για ηλεκτρόνια- η ομάδα ανακάλυψε κάτι ακόμα: Το κβαντικό σήμα ξαφνικά κατέστη ελεύθερο θορύβου, και ήταν επίσης απόλυτα σταθερό.
«Στα πειράματά μας πρέπει να χρησιμοποιούμε λέιζερ, που δυστυχώς αναστατώνουν τα ηλεκτρόνια. Είναι σαν ένα παιχνίδι μουσικών καρεκλών με ηλεκτρόνια- όταν σβήνει το φως, όλα σταματούν, αλλά σε διαφορετική διαρρύθμιση, είπε άλλος ένας από τους συντάκτες του άρθρου, ο Αλεξάντρ Μπουράσα. «Το πρόβλημα είναι πως αυτή η τυχαία διαρρύθμιση ηλεκτρονίων επηρεάζει την κβαντική μας κατάσταση. Αλλά διαπιστώσαμε πως η εφαρμογή ηλεκτρικών πεδίων απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από το σύστημα και το καθιστά πολύ πιο σταθερό».
Ενσωματώνοντας τα παράξενα χαρακτηριστικά και ιδιότητες της κβαντομηχανικής στις συμβατικές τεχνολογίες ημιαγωγών, ο Όσαλομ και η ομάδα του ανοίγουν τον δρόμο για την επερχόμενη κβαντική επανάσταση. «Αυτή η δουλειά μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην υλοποίηση συστημάτων ικανών για την αποθήκευση και διανομή κβαντικής πληροφορίας ανά τα δίκτυα οπτικής ίνας του κόσμου» είπε σχετικά. «Τέτοια κβαντικά δίκτυα θα μπορούσαν να φέρουν μια νέα κατηγορία τεχνολογιών, επιτρέποντας τη δημιουργία καναλιών επικοινωνίας που θα είναι αδύνατον να χακαριστούν, την τηλεμεταφορά καταστάσεων ηλεκτρονίων και την υλοποίηση ενός κβαντικού Ίντερνετ».
