Αναπτύχθηκε προηγμένη κβαντική τεχνολογία με χρήση μιας σπάνιας γαίας.
Ερευνητική ομάδα δημιούργησε ένα νέο είδος μοριακού qubit που θα μπορούσε να βοηθήσει στη σύνδεση κβαντικών υπολογιστών μέσω της υπάρχουσας τεχνολογίας τηλεπικοινωνιών θέτοντας τα θεμέλια για ένα μελλοντικό κβαντικό Διαδίκτυο.
Στους υπολογιστές, η μονάδα πληροφορίας είναι το bit, το οποίο λαμβάνει τιμές είτε «0» είτε «1» και οι πληροφορίες αποθηκεύονται ως συνδυασμοί των δύο αυτών ψηφίων. Στους κβαντικούς υπολογιστές, το αντίστοιχο του bit είναι το κβαντικό bit, ή qubit. Χάρη σε μια κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται υπέρθεση, το qubit μπορεί να λαμβάνει τιμές «0» ή «1» ή και τα δύο μαζί. Αυτή η ιδιότητα έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται με γεωμετρική πρόοδο η μνήμη και η ταχύτητα των κβαντικών υπολογιστών.
H δημιουργία κβαντικών υπολογιστών αποτελεί το ιερό δισκοπότηρο στον τομέα της πληροφορικής αφού αυτοί οι υπολογιστές αναμένεται φέρουν επανάσταση στον σύγχρονο κόσμο. Η χρήση των κβαντικών υπολογιστών πιστεύεται ότι θα φέρει αδιανόητη ώθηση σε κάθε τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας.
Το νέο qubit περιέχει ένα στοιχείο σπάνιας γαίας που ονομάζεται έρβιο το οποίο έχει οπτικές και μαγνητικές ιδιότητες που του επιτρέπουν να μεταδίδει κβαντικές πληροφορίες χρησιμοποιώντας τα ίδια μήκη κύματος με τα δίκτυα οπτικών ινών. Επειδή λειτουργεί σε τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος αυτό το qubit μπορεί επίσης να ενσωματωθεί ευκολότερα σε τσιπ πυριτίου υποστηρίζουν οι ερευνητές. Αυτό θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για μικρότερες και πιο συμπαγείς κβαντικές συσκευές.
Η ομάδα δημοσίευσε τα ευρήματά της στην επιθεώρηση «Science» και χαρακτηρίζει την τεχνολογία αυτή «ένα πολλά υποσχόμενο νέο δομικό στοιχείο για κλιμακούμενες κβαντικές τεχνολογίες, από υπερ-ασφαλείς γραμμές επικοινωνίας μέχρι δίκτυα μεγάλων αποστάσεων μεταξύ κβαντικών υπολογιστών γνωστά ως κβαντικό Διαδίκτυο».
Πολλές έρευνες έχουν επικεντρωθεί στην ανάπτυξη της απαραίτητης τεχνολογίας για ένα κβαντικό Διαδίκτυο συμπεριλαμβανομένου ενός νέου τσιπ που κατασκευάστηκε τον Σεπτέμβριο και βοηθά στη μετάδοση κβαντικών σημάτων μέσω πραγματικών καλωδίων οπτικών ινών. Στη νέα μελέτη οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στην κατασκευή ενός νέου τύπου qubit που θα μπορούσε να βοηθήσει στη μεταφορά δεδομένων.
«Με την επίδειξη της ευελιξίας αυτών των μοριακών qubits από έρβιο κάνουμε ένα ακόμη βήμα προς κλιμακούμενα κβαντικά δίκτυα που μπορούν να συνδεθούν απευθείας στη σημερινή οπτική υποδομή» αναφέρει ο Ντέιβιντ Όσχαλομ καθηγητής μοριακής μηχανικής και φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, επικεφαλής της μελέτης.
Ένας διαφορετικός τύπος qubit
Τα qubits συνήθως εμφανίζονται σε τρεις μορφές: υπεραγώγιμα qubits, που αποτελούνται από μικροσκοπικά ηλεκτρικά κυκλώματα, qubits παγιδευμένων ιόντων, που αποθηκεύουν πληροφορίες σε φορτισμένα άτομα συγκρατημένα από ηλεκτρομαγνητικά πεδία, και φωτονικά qubits, που κωδικοποιούν κβαντικές καταστάσεις σε σωματίδια φωτός.
Τα μοριακά qubits χρησιμοποιούν μεμονωμένα μόρια, συχνά κατασκευασμένα γύρω από μέταλλα σπάνιας γης των οποίων το spin των ηλεκτρονίων καθορίζει την κβαντική τους κατάσταση. Το spin αυτό δημιουργεί ένα μικροσκοπικό μαγνητικό πεδίο, η κατεύθυνση του οποίου ορίζει την τιμή του qubit. Όπως και ένα κανονικό bit, μπορεί να είναι 1 ή 0, αλλά και υπέρθεση και των δύο.
Αυτό που κάνει το νέο qubit βασισμένο στο έρβιο μοναδικό είναι ότι συμπεριφέρεται ταυτόχρονα σαν spin qubit και σαν φωτονικό qubit. Μπορεί να αποθηκεύει πληροφορίες μαγνητικά ενώ η ανάγνωση γίνεται μέσω οπτικών σημάτων.
Σε πειραματική δοκιμή οι ερευνητές έδειξαν ότι το spin του ατόμου έρβιου μπορεί να βρεθεί σε ελεγχόμενη υπέρθεση, μια βασική απαίτηση για ένα λειτουργικό qubit. Επειδή η κατάσταση του spin επηρεάζει το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπει το άτομο, η ομάδα μπόρεσε να διαβάσει τις κβαντικές καταστάσεις χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως η οπτική φασματοσκοπία.
«Αυτά τα μόρια μπορούν να λειτουργήσουν ως νανοκλίμακας γέφυρα ανάμεσα στον κόσμο του μαγνητισμού και τον κόσμο της οπτικής. Οι πληροφορίες μπορούν να κωδικοποιηθούν στη μαγνητική κατάσταση ενός μορίου και στη συνέχεια να προσπελαστούν με φως σε μήκη κύματος συμβατά με τις καλά ανεπτυγμένες τεχνολογίες των οπτικών ινών και των φωτονικών κυκλωμάτων πυριτίου» δήλωσε η Λία Βάις μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και πρώτη συγγραφέας της έρευνας.
Κβαντικά δεδομένα μεγάλων αποστάσεων
Η λειτουργία σε τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος προσφέρει δύο βασικά πλεονεκτήματα, το πρώτο ότι τα σήματα μπορούν να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες απώλειες, κάτι κρίσιμο για τη μετάδοση κβαντικών δεδομένων μέσω δικτύων οπτικών ινών.
Το δεύτερο είναι ότι το φως στα συγκεκριμένα μήκη κύματος περνά εύκολα μέσα από το πυρίτιο. Αν δεν συνέβαινε αυτό, οποιαδήποτε δεδομένα κωδικοποιημένα στο οπτικό σήμα θα απορροφούνταν και θα χάνονταν. Επειδή το οπτικό σήμα μπορεί να περάσει μέσα από το πυρίτιο προς τους ανιχνευτές ή άλλα φωτονικά εξαρτήματα από κάτω το qubit με έρβιο είναι ιδανικό για υλικό βασισμένο σε τσιπ.
«Τα τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος προσφέρουν τον χαμηλότερο ρυθμό απώλειας για φως που ταξιδεύει σε οπτικές ίνες. Αυτό είναι κρίσιμο αν θέλεις να στείλεις με αξιοπιστία πληροφορίες κωδικοποιημένες σε ένα μόνο φωτόνιο πέρα από το εργαστήριο» λέει ο Όσχαλομ.
Η κλίμακα είναι επίσης πλεονέκτημα. Κάθε qubit αποτελείται από ένα μόνο μόριο περίπου εκατό χιλιάδες φορές μικρότερο από μια ανθρώπινη τρίχα. Επειδή η δομή τους μπορεί να ρυθμιστεί με συνθετική χημεία τα μοριακά qubits μπορούν να ενσωματωθούν σε περιβάλλοντα όπου άλλα δεν μπορούν όπως στερεές συσκευές ή ακόμη και μέσα σε ζωντανά κύτταρα.
Αυτό το επίπεδο ελέγχου θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση μιας από τις μεγαλύτερες μηχανικές προκλήσεις της κβαντικής πληροφορικής: την ενσωμάτωση της κβαντικής συμβατότητας απευθείας στις υπάρχουσες τεχνολογίες. «Η ενσωμάτωση είναι βασικό στάδιο για την κλιμάκωση της τεχνολογίας και μία διαρκής πρόκληση στον τομέα. Εργαζόμαστε στην ενσωμάτωση αυτών των qubits σε συσκευές πάνω σε τσιπ και πιστεύουμε ότι αυτό θα ανοίξει νέες δυνατότητες στον έλεγχο, την ανίχνευση και τη σύζευξη μορίων» καταλήγει ο Οσχάλομ.
