I overraskende gennembrud, forskere skaber kvantetilstande i daglig elektronik

Efter årtiers miniaturisering, de elektroniske komponenter, vi har stolet på til computere og moderne teknologier, begynder nu at nå de grundlæggende grænser. Står over for denne udfordring, ingeniører og forskere rundt om i verden vender mod et radikalt nyt paradigme:kvanteinformationsteknologier.

Kvanteteknologi, som udnytter de mærkelige regler, der styrer partikler på atomniveau, normalt betragtes som alt for delikat til at sameksistere med den elektronik, vi hver dag bruger i telefoner, bærbare computere og biler. Imidlertid, forskere ved University of Chicago's Pritzker School of Molecular Engineering annoncerede et betydeligt gennembrud:Kvantestater kan integreres og kontrolleres i almindeligt anvendte elektroniske enheder fremstillet af siliciumcarbid.

"Evnen til at oprette og styre højtydende kvantebits i kommerciel elektronik var en overraskelse, "sagde hovedforsker David Awschalom, Liew -familieprofessoren i molekylær teknik ved UChicago og en pioner inden for kvanteteknologi. "Disse opdagelser har ændret den måde, vi tænker på at udvikle kvanteteknologier - måske kan vi finde en måde at bruge nutidens elektronik til at bygge kvanteenheder."

I to artikler offentliggjort i Videnskab og Videnskab fremskridt , Awschaloms gruppe demonstrerede, at de elektrisk kunne kontrollere kvantetilstande, der var indlejret i siliciumcarbid. Gennembruddet kunne tilbyde et middel til lettere at designe og bygge kvanteelektronik - i modsætning til at bruge eksotiske materialer, forskere normalt skal bruge til kvanteeksperimenter, såsom superledende metaller, svævede atomer eller diamanter.

Disse kvantetilstande i siliciumcarbid har den ekstra fordel at udsende enkeltpartikler af lys med en bølgelængde nær telekommunikationsbåndet. "Dette gør dem velegnede til langdistanceoverførsel gennem det samme fiberoptiske netværk, der allerede transporterer 90 procent af alle internationale data verden over, "sagde Awschalom, seniorforsker ved Argonne National Laboratory og direktør for Chicago Quantum Exchange.

I øvrigt, disse lette partikler kan få spændende nye egenskaber, når de kombineres med eksisterende elektronik. For eksempel, i avisen Science Advances, holdet var i stand til at skabe, hvad Awschalom kaldte en "quantum FM radio;" på samme måde som musik overføres til din bilradio, kvanteinformation kan sendes over ekstremt lange afstande.

"Al teori antyder, at for at opnå god kvantekontrol i et materiale, den skal være ren og fri for svingende felter, "sagde kandidatstuderende Kevin Miao, første forfatter på papiret. "Vores resultater tyder på, at med korrekt design, en enhed kan ikke kun dæmpe disse urenheder, men også skabe yderligere former for kontrol, som tidligere ikke var mulige. "

I videnskabspapiret, de beskriver et andet gennembrud, der adresserer et meget almindeligt problem inden for kvanteteknologi:støj.

"Urenheder er almindelige i alle halvlederanordninger, og på kvante niveau, disse urenheder kan kryptere kvanteoplysningerne ved at skabe et støjende elektrisk miljø, "sagde kandidatstuderende Chris Anderson, en af ​​første forfattere på papiret. "Dette er et næsten universelt problem for kvanteteknologier."

Men, ved at bruge et af de grundlæggende elementer i elektronik - dioden, en envejskontakt til elektroner-teamet opdagede et andet uventet resultat:Kvantesignalet blev pludselig støjfrit og var næsten helt stabilt.

"I vores eksperimenter skal vi bruge lasere, som desværre skubber elektronerne rundt. Det er som et spil musikalske stole med elektroner; når lyset slukker, stopper alt men i en anden konfiguration, "sagde kandidatstuderende Alexandre Bourassa, den anden co-første forfatter på papiret. "Problemet er, at denne tilfældige konfiguration af elektroner påvirker vores kvantetilstand. Men vi fandt ud af, at anvendelse af elektriske felter fjerner elektronerne fra systemet og gør det meget mere stabilt."

Ved at integrere kvantemekanikkens mærkelige fysik med veludviklet klassisk halvlederteknologi, Awschalom og hans gruppe baner vejen for den kommende kvanteteknologiske revolution.

"Dette arbejde bringer os et skridt tættere på realiseringen af ​​systemer, der er i stand til at lagre og distribuere kvanteinformation på tværs af verdens fiberoptiske netværk, "Awschalom sagde." Sådanne kvantenetværk ville skabe en ny klasse af teknologier, der muliggør oprettelse af ikke -hackbare kommunikationskanaler, teleportering af enkelt elektronstater og realisering af et kvanteinternet. "