Мінус 273 градуси Цельсія. Саме так близько до абсолютного нуля доводиться охолоджувати більшість сучасних квантових комп’ютерів, аби ті не втратили свою надзвичайно крихку здатність обчислювати. Це означає гігантські установки, що займають цілі кімнати, мільйони доларів витрат на підтримку роботи та лабораторії, що нагадують космічні кораблі. Будь-яка спроба зробити технологію компактнішою зустрічається зі стіною: тепло ворог квантових станів, і навіть найменший його прояв перетворює обіцянку надшвидких обчислень на звичайний шум.
Для порівняння: сучасні квантові процесори часто вимагають дилювальних холодильників вагою в тонни, спеціальних приміщень із віброізоляцією та команди інженерів, які працюють цілодобово. Вартість однієї такої установки може сягати десятків мільйонів доларів. Це робить технологію доступною лише для великих корпорацій та державних лабораторій, відсуваючи перспективу персональних квантових пристроїв на невизначений термін.
Але вчені зі Стенфордського університету щойно продемонстрували пристрій розміром у крихітну платівку, який робить те саме сидячи прямо на вашому столі, за звичайної кімнатної температури.
І головний інструмент тут закручене світло, яке обертається, як штопор.
Холодна реальність
Сьогоднішня квантова революція має одну фундаментальну проблему: квантові стани, на яких базується все від обчислень до передачі даних надзвичайно нетривкі. У класичному комп’ютері інформація зберігається у бітах, які дорівнюють нулю або одиниці. У квантовому світі базовою одиницею є кубіт, який завдяки суперпозиції може бути водночас і нулем, і одиницею. Ця властивість дозволяє квантовим системам опрацьовувати астрономічні обсяги даних паралельно принаймні теоретично.
Практика ж виглядає інакше. Найменше тепло, найменший шум або вібрація, і кубіт руйнується. Процес, який фізики називають декогеренцією, перетворює перспективні обчислення на хаос за мікросекунди. Тому інженери будують дорогі кріогенні системи. Вони стабілізують кубіти за температури близько мінус 459 градусів за Фаренгейтом, що ледь не досягає абсолютного нуля. Це працює. Але це також робить квантові технології величезними, дорогими та недоступними для повсякденного використання.
Тепер ця стіна тане.
Закручене світло
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications, команда під керівництвом професорки матеріалознавства Дженніфер Діонн показала наномасштабний оптичний пристрій, який поєднує тонкий шар молібдену диселеніду (MoSe₂) із наноструктурованою кремнієвою підкладкою. Результат пристрій, що генерує так зване «закручене світло»: фотони, які обертаються у вигляді штопора, передаючи свій спін електронам.
«Кремнієві наноструктури дають нам можливість створювати закручене світло. Фотони обертаються, як штопор, і що важливіше, ми можемо використовувати це обертання, щоб надати спін електронам, які є серцем квантових обчислень».
Фенг Пан, постдокторант у лабораторії Діонн і перший автор статті
Звучить як фантастика. Але механіка тут надзвичайно точна.
Наноструктури на кремнієвій підкладці настільки малі, що їх неможливо розгледіти неозброєним оком їхній розмір порівнянний із довжиною хвилі видимого світла. Проте саме вони дозволяють маніпулювати фотонами з ювелірною точністю, змушуючи їх обертатися в конкретному напрямку наприклад, вгору чи вниз. Це створює стабільний квантовий зв’язок, або заплутаність, між світлом і електронами. Коли два об’єкти заплутані, стан одного миттєво відображається в стані іншого, незалежно від відстані між ними. Саме ця властивість і робить квантовий зв’язок настільки цінним для майбутніх мереж.
Матеріал, що пам’ятає
Ключ до стабільності криється у виборі матеріалу. Молібден диселенід належить до родини так званих дихалькогенідів перехідних металів (TMDC) речовин із незвичайними оптичними та квантовими властивостями. На відміну від багатьох інших напівпровідників, TMDC взаємодіють із світлом особливо інтенсивно навіть у моношарі завтовшки в один атом. Це робить їх ідеальними кандидатами для мініатюрних оптичних пристроїв, де кожен нанометр має значення.
Зазвичай електрони втрачають свій спін надто швидко, щоб бути корисними для квантового зв’язку. Але поєднання TMDC із кремнієвим чіпом змінює правила гри. Кремній тут відіграє подвійну роль: він служить підкладкою для наноструктур і водночас є матеріалом, знайомим кожній сучасній фабриці мікроелектроніки. Це означає, що технологія потенційно сумісна з існуючими виробничими лініями критична перевага для комерціалізації. Не потрібно будувати нові заводи: можна використовувати те, що вже працює для звичайних процесорів.
«Матеріал сам по собі не новий, але спосіб його використання так, каже Дженніфер Діонн. Він забезпечує дуже універсальне, стабільне спінове з’єднання між електронами та фотонами, яке є теоретичною основою квантового зв’язку. Зазвичай електрони втрачають спін занадто швидко».
Це поєднання дозволяє світлу та речовині взаємодіяти набагато сильніше, зберігаючи квантові властивості, необхідні для обчислень і комунікацій. Пристрій працює без кріогенного охолодження, що усуває одну з найбільших перешкод на шляху до масового застосування квантових технологій.
Що це змінює
Якщо розвивати цю технологію далі, наслідки можуть торкнутися десятків галузей. Квантовий зв’язок обіцяє абсолютно захищену передачу даних: будь-яка спроба перехоплення інформації руйнує квантовий стан і одразу стає помітною. Для банківської справи, медичних баз даних та державних комунікацій це означає рівень безпеки, недоступний жодному сучасному шифруванню. Квантові сенсори, зі свого боку, можуть вимірювати магнітні поля чи температуру з точністю, недоступною класичним приладам, відкриваючи нові можливості для медичної діагностики та наукових досліджень. А квантові обчислення здатні розв’язувати задачі від моделювання складних молекул для створення нових ліків до оптимізації штучного інтелекту за лічені секунди, на які класичним машинам потрібні роки.
При цьому новий пристрій відносно компактний і дешевий у порівнянні з існуючими системами. Він не вимагає гігантських кріостатів чи складної інфраструктури лише наноструктурований чіп і спеціалізоване світло.
- Квантовий зв’язок передача даних із захистом на рівні законів фізики
- Квантові сенсори вимірювання з точністю до атомів
- Квантові обчислення розв’язання задач, недоступних класичним суперкомп’ютерам
- Штучний інтелект прискорення навчання нейромереж через квантову оптимізацію
Звичайно, від лабораторного зразка до магазинної полиці довгий шлях. Але перший крок зроблено саме тут, у Стенфорді, і він виглядає як справжній прорив.
Люди за приладом
Дослідження вело міждисциплінарне об’єднання вчених. Дженніфер Діонн, старший автор статті, спеціалізується на нанофотоніці та матеріалознавстві. Фенг Пан, перший автор, присвятив роки вивченню того, як світло взаємодіє з квантовими матеріалами на найменших масштабах. До команди також долучилися фахівці з TMDC-матеріалів Фанг Ліу та Тоні Гайнц чиї знання про дихалькогеніди перехідних металів стали критичними для успіху.
«Усе зводиться до цього матеріалу та нашого кремнієвого чіпа, підсумовує Фенг Пан. Разом вони ефективно утримують і посилюють закручування світла, створюючи сильне спінове з’єднання між фотонами та електронами. Це стабілізує квантовий стан, який робить квантовий зв’язок можливим».
Робота триває. Команда вже досліджує додаткові TMDC-матеріали та їхні комбінації, які могли б дати ще кращі показники. Вони також перевіряють, чи не відкриють ці системи зовсім нові квантові властивості, недоступні за кімнатної температури раніше.
Шлях до мереж і телефонів
Довгострокова мета інтегрувати такі пристрої у великі квантові мережі. Уявіть собі місто, де кожен будинок під’єднаний до оптоволоконної мережі, яка передає не просто дані, а квантові стани. Банківські транзакції, медичні записи, державні комунікації все це захищене законами квантової фізики, а не лише складністю математичних алгоритмів. Для цього потрібні тисячі пристроїв, подібних до стенфордського зразка, об’єднаних у єдину інфраструктуру.
Це вимагатиме вдосконалення супутніх технологій: джерел світла, модуляторів, детекторів і міжкомпонентних з’єднань. Але якщо це вдасться, квантові компоненти можна буде мініатюризувати настільки, що вони стануть частиною повсякденної електроніки.
«Якщо ми зможемо це зробити, можливо, колись ми зможемо проводити квантові обчислення прямо в мобільному телефоні. Але це план на десять і більше років».
Фенг Пан
Десять років у науці не так вже й багато. Особливо якщо йдеться про технологію, яка ще вчора вимагала власного морозильника розміром із холодильну камеру, а завтра може стати частиною кишенькового гаджета.
Закручене світло вже змінило правила. Тепер справа за інженерами перетворити це відкриття на речі, якими ми користуватимемося щодня.
Про автора
