Промышленные квантовые компьютеры сегодня требуют колоссальных затрат на обслуживание. Большинству таких систем необходимы температуры, близкие к абсолютному нулю — примерно минус 273 градуса Цельсия, — чтобы сохранить хрупкие квантовые состояния, нужные для вычислений и передачи данных. Содержание таких установок обходится настолько дорого, что массовое внедрение квантовых технологий пока остается недоступным для большинства компаний и исследовательских центров. Группа ученых из Стэнфордского университета представила разработку, которая может изменить этот расклад. Новое наномасштабное оптическое устройство работает при комнатной температуре, связывая квантовые свойства света и электронов. По данным открытых материалов проекта, технология позволит создавать более дешевые и компактные квантовые системы для передачи данных на большие расстояния.
Как работает новое оптическое устройство
Основа разработки — тонкий слой диселенида молибдена, нанесенный на кремниевую подложку с наноструктурами. Этот материал относится к классу дихалькогенидов переходных металлов, которые ценятся за уникальные оптические и квантовые свойства. По словам исследователей, именно кремниевые наноструктуры генерируют то, что авторы работы называют закрученным светом.
Фэн Пань, научный сотрудник лаборатории и первый автор статьи, поясняет: «Кремниевые наноструктуры позволяют получить так называемый закрученный свет. Фотоны вращаются по спирали, но что важнее, мы можем использовать эти вращающиеся фотоны, чтобы придать спин электронам — а те, в свою очередь, лежат в основе квантовых вычислений».
Дженнифер Дионн, профессор материаловедения и инженерии Стэнфорда и старший автор работы, добавляет, что сами наноструктуры невозможно увидеть невооруженным глазом: их размер примерно равен длине волны видимого света. «Мы можем очень точно управлять фотонами, заставляя их крутиться в нужном направлении — вверх или вниз», — говорит она.
Почему важна связь фотонов и электронов
Ключевая особенность устройства — запутанность фотонов (частиц света) и электронов. Такая квантовая связь считается фундаментальным требованием для будущих систем квантовой связи. Дионн отмечает, что используемый материал не нов, но способ его применения уникален.
«Он обеспечивает очень универсальную, стабильную спиновую связь между электронами и фотонами, которая является теоретической базой квантовой связи, — говорит Дионн. — Обычно электроны теряют свой спин слишком быстро, чтобы это было полезно, но наша разработка решает эту проблему».
Запутанность фотонов и электронов позволяет формировать кубиты — базовые строительные блоки квантовых информационных систем. В обычных компьютерах информация представлена нулями и единицами, а кубиты используют квантовые эффекты для обработки и передачи данных принципиально новыми способами.
- работает при комнатной температуре, не требуя охлаждения до абсолютного нуля;
- имеет компактные размеры, сопоставимые с длиной волны видимого света;
- обходится дешевле аналогов за счет отказа от сложных систем охлаждения;
- сохраняет квантовые состояния стабильнее, чем многие существующие прототипы.
Главная проблема большинства современных квантовых систем — процесс декогеренции, при котором хрупкая квантовая информация теряется. Чтобы предотвратить это, обычно требуется экстремальное охлаждение, но новое устройство полностью обходит это ограничение.
Роль закрученного света в вычислениях
Закрученный свет — это фотоны, вращающиеся по спирали, как штопор. Кремниевые наноструктуры устройства заставляют их крутиться в нужном направлении, а затем эта энергия передается электронам в слое диселенида молибдена. Такое взаимодействие света и материи усиливает связь, сохраняя нужные квантовые свойства.
Процесс формирования кубитов в устройстве выглядит следующим образом:
- кремниевые наноструктуры генерируют закрученный свет с нужным направлением вращения;
- вращающиеся фотоны передают спин электронам в слое полупроводника;
- электроны и фотоны вступают в состояние квантовой запутанности;
- полученная структура формирует кубиты — базовые элементы квантовых систем.
Исследователи подчеркивают, что плотная связь между спинами фотонов и электронов стабилизирует квантовое состояние, делая его пригодным для практического использования. Это открывает путь к созданию компактных устройств, которые можно будет интегрировать в существующую электронику.
Какие перспективы у разработки
Команда продолжает дорабатывать устройство, тестируя другие материалы из класса дихалькогенидов переходных металлов для улучшения характеристик. Фэн Пань отмечает, что успех зависит от сочетания материала и кремниевого чипа: вместе они эффективно ограничивают и усиливают закручивание света, создавая прочную связь между спинами частиц.
Долгосрочная цель — интеграция таких устройств в крупные квантовые сети. Для этого потребуется развитие сопутствующих технологий: источников света, модуляторов, детекторов и систем соединения. Пока это только планы, но разработка уже сделала квантовые технологии на шаг ближе к массовому потребителю.
«Если нам удастся это, возможно, когда-нибудь мы сможем проводить квантовые вычисления в обычном смартфоне, — улыбается Пань. — Но это план на 10 лет и больше».
Пока до этого далеко, но разработка уже устраняет главное препятствие для внедрения квантовых систем — необходимость в дорогих и громоздких системах охлаждения. Это делает технологию доступнее для малого и среднего бизнеса, а также для исследовательских групп с ограниченным бюджетом.
Пока квантовые компьютеры остаются уделом крупных лабораторий и технологических гигантов, новая разработка Стэнфорда показывает, что это положение может измениться. Отказ от экстремального охлаждения и использование компактных наноструктур снижает себестоимость производства устройств. В будущем такие чипы могут найти применение в защищенной связи, высокоточных сенсорах, системах искусственного интеллекта и обычной бытовой электронике, которой пользуются миллионы людей.
