Dijamantsko-litijumski niobat čip – inovacija i kvantna magija sa 92 posto efikasnosti

Dijamant i litijum niobat u kombinaciji mogu da posluže kao osnovna komponenta za buduće kvantne tehnologije, jer su često predstavljeni kao kvantni materijal visokih performansi. Kao rezultat toga, naučnici iz Q-NEXT centra su kombinovali dva materijala kao jedan kvantni uređaj i proizveli dijamantsko-litijumski niobat čip sa impresivnim rezultatima.

Istraživači kvantnih informacija su uvek u potrazi za dobitnim kombinacijama materijala kojima mogu manipulisati na molekularnom nivou, kako bi se pouzdano čuvale i prenosile informacije. U sklopu studije objavljene u ACS Photonics, istraživači su spojili nanostrukture dijamanta i litijum niobata na jednom čipu.

Usmerili su svetlost od dijamanta ka litijum niobatu, merili deo svetlosti koji je prošao između ova dva materijala i postigli su izuzetnih 92 posto prenosa. Što je ta frakcija veća, to je efikasnije spajanje materijala i naposletku uparivanje ovih komponenti u kvantnim uređajima. Nakon ove demonstracije dokaza o principu prenosa svetlosti, tim naučnika dodao je novu kombinaciju jedinjenja na spisak kvantnih materijala.

Istraživanje i eksperiment deliično je podržao Q-NEXT, Nacionalni istraživački centar za kvantne informacione nauke američkog Ministarstva energetike (DOE), koju vodi Nacionalna laboratorija Argonne iz Ilinoisa. Studiju su vodili Amir Safavi i kako joj ime ukazuje, žena srpskog porekla Jelena Vučković sa Stenford univerziteta.

Kvantne informacije i kvantni bit

Kvantne tehnologije koriste posebne, karakteristične materije na molekularnoj skali za obradu informacija. U budućnosti, naučnici očekuju da će veliki uticaj na naše živote imati kvantni računari, mreže i senzori, pre svega u oblastima kao što su medicina, komunikacija i logistika.

Kvantne informacije se isporučuju u „paketima“ zvanim kvantni bit, odnosno kubit (Qubit) i mogu imati različite oblike.U novoj platformi istraživačkog tima koji su predvodili Vučković i Safavi, kubiti prenose informacije kao čestice svetlosti. Ovaj rezultat ima veliki značaj za kvantne informacije, gde su takozvani stabilni kubiti ključni za obradu informacija na molekularnom nivou, čime se otvara put ka efikasnijim kvantnim komunikacionim mrežama.

Shutterstock

Kao i u tradicionalnim mrežama, informacije u kvantnim mrežama putuju od jednog „čvora“ do drugog. Stacionarni, stabilni kubiti čuvaju informacije unutar kvantnog čvora, dok leteći kubiti prenose informacije između čvorova. Novi čipset bio bi upravo osnova stacionarnog kubita. Što je stacionarni kubit robusniji, to je kvantna mreža pouzdanija i veća je udaljenost koje mreže mogu preći. Tako je kvantna mreža koja bi se prostirala kroz kontinent praktično na dohvat ruke, piše SciTechDaily. 

Materijalna prednost koju ima dijamantsko-litijumski niobat čip

Dijamant, kao odlično stanište za kubit, kombinovan je sa litijum niobatom, čije specifične osobine omogućavaju fleksibilnost u manipulaciji sa svetlošću. Ova kombinacija materijala na jednom čipu elimiše potrebu za nepraktičnom opremom, povećavajući stabilnost i dajući mogućnost za minijaturizaciju postavki samog čipa. Sa druge strane, kubit u kombinaciji sa dijamantom može održavati informacije relativno dugo, što znači više vremena za izvođenje proračuna. Takođe, proračuni izvedeni na ovaj način pokazuju visoku tačnost, otkriva istraživanje.

Shutterstock

Shutterstock

Još jedna ključna stvar u studiji koju je sproveo tim naučnika je litijum niobat. Hemijsko jedinjenje, koje je vrlo bitno kada je u pitanju obrada kvantnih informcija. Njegova posebna svojstva daju naučnicima svestranost i omogućavaju promenu frekvencije svetlosti koja prolazi kroz njega. Primer je primena električnog polja na litijum niobat da bi se prilagodio način na koji on kanališe svetlost. Uz to, moguće je promeniti orijentaciju njegove kristalne strukture. Raditi ovo u redovnim intervalima je još jedan način da se oblikuje prolaz svetlosti kroz materijal.

Kombinacija ova dva materijala donosi praktično revoluciju u kvantnom računarstvu. Tradicionalno, svetlost iz kubita sa dijamanta se kanališe ili u optički kabl, ili u slobodan prostor. U oba slučaja, postavka eksperimenta je nezadovoljavajuća i možda malo nezgrapna. Optički kablovi su dugački, mahom padajuće-viseće konstrukcije, a prenošenje kubita u slobodan prostor zahteva glomaznu opremu.

Shutterstock

Sva ta oprema nestaje, odnosno neće biti potrebna, kada se svetlost iz kubita dijamanta usmeri na litijum niobat. U tom slučaju, skoro svaka komponenta se može postaviti na jedan mali čip. I ne samo to, ovi uređaji za prenos svetlosti su povezani filamentima (najtanjim mogućim vezama), reda veličine 1/100, odnosno jedne stotinke širine ljudske vlasi kose. U tim uskim prolazima, kvantna svetlost je stisnuta i vodi do litijum niobata, povećavajući interakciju svetlosti sa materijala i olakšavajući manipulaciju svojstvima svetlosti.

Dijamantsko-litijumski niobat čip kao izazovna platforma

Jedan od izazova razvoja platforme bilo je manipulisanje dijamantom širokim samo 300 nanometara, tako da se on uskladi sa litijum niobatom. Njegova obrada i bušenje sitnim iglicama bio je veliki izazov kako bi sam dijamant bio doveden u pravilan položaj.

Merenje prenete svetlosti bio je još jedan mukotrpan proces sa kojim su se susreli istraživači. Morali su da uzmu u obzir sva mesta gde se svetlost prenosi ili gubi, da bi na kraju mogli sa sigurnošću da kažu koliko svetlosti tačno ide od dijamanta do litijum niobata.

„To merenje kalibracije zahtevalo je mnogo koraka, kako napred tako i unazad, kako bismo bili sigurni da to radimo ispravno”, kaže Džejson Herman za SciTechDaily, koautor rada i student doktorskih studija na Stenfordu.

Tim ovih istraživača, međutim, ne planira ovde da se zaustavi, već želi da obavlja nove eksperimente koji koriste prednosti kvantnih informacija koje nude dijamant i litijum niobat, kako odvojeno, tako i u kombinaciji.