Επαναστατική ανακάλυψη στην κβαντική τεχνολογία χάριν σε ένα «μαγικό» υλικό

Επιστήμονες ανακοίνωσαν μια σημαντική εξέλιξη στον τομέα της κβαντικής πληροφορικής, καθώς κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν ένα ιδιαίτερο υλικό, το χρωμιούχο βρωμιούχο θείο, για την αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας με τη βοήθεια του μαγνητισμού. Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει τον δρόμο για πιο βιώσιμους και σταθερούς κβαντικούς υπολογιστές και αισθητήρες, χάρη στη δυνατότητα διατήρησης των κβαντικών καταστάσεων για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Το υλικό αυτό έχει μια μοναδική, «στρωματωμένη» δομή αποτελούμενη από λίγες μόνο ατομικές στρώσεις. Οι ιδιότητες του το καθιστούν ιδανικό για πολλαπλές μορφές αποθήκευσης πληροφορίας μέσω ηλεκτρικού φορτίου, φωτονίων, μαγνητισμού (ηλεκτρονικό spin) ή δομικών δονήσεων. Μία από τις πιο καινοτόμες μεθόδους είναι η χρήση εξιτονίων: ψευδοσωματίδια που σχηματίζονται όταν ένα ηλεκτρόνιο ενώνεται με το κενό που αφήνει πίσω του ένα φωτόνιο.

Προηγούμενες έρευνες είχαν δείξει ότι τα εξιτόνια σε αυτό το υλικό μπορούν να σχηματίζουν ευθυγραμμισμένες δομές, εμφανίζοντας και μαγνητικές ιδιότητες. Σε θερμοκρασίες κάτω των 132 Κέλβιν (περίπου -141°C), το υλικό γίνεται μαγνητικό, με ευθυγραμμισμένα ηλεκτρόνια και εναλλασσόμενη μαγνητική πόλωση ανά στρώση. Αντιθέτως, πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, η μαγνητική διάταξη καταρρέει, επιτρέποντας στα εξιτόνια να απλωθούν σε περισσότερες στρώσεις.

Το εντυπωσιακό όμως είναι ότι όταν το υλικό έχει μονοατομικό πάχος, με αποτέλεσμα τα εξιτόνια να περιορίζονται σε μία μόνο διάσταση. Αυτός ο περιορισμός μειώνει τις πιθανότητες αλληλεπίδρασης και σύγκρουσης μεταξύ τους, άρα και την απώλεια της κβαντικής πληροφορίας αν χαθεί η σύζευξη, ενός από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην κβαντική πληροφορική.

Στην έρευνα οι επιστήμονες πυροδότησαν εξιτόνια μέσω παλμών υπερύθρου φωτός διάρκειας μόλις 20 τετράκις εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου (20 x 10⁻¹⁵ s). Στη συνέχεια, με δεύτερο παλμό, ανύψωσαν τα εξιτόνια σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση και παρατήρησαν κάτι αναπάντεχο: δημιουργήθηκαν δύο διαφορετικές παραλλαγές εξιτονίων, με διαφορετική ενεργειακή συμπεριφορά.

Πειραματιζόμενοι με παλμούς από διαφορετικούς άξονες, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μπορούν να ελέγχουν τη διάσταση στην οποία υπάρχουν τα εξιτόνια, από μονόδρομη σε τρισδιάστατη. Η διάρκεια ζωής των εξιτονίων, και κατ’ επέκταση της πληροφορίας που κουβαλούν, εξαρτάται από αυτή τη διάσταση.

«Η μαγνητική διάταξη λειτουργεί σαν ρυθμιστής που καθορίζει τον τρόπο αλληλεπίδρασης των εξιτονίων. Αυτό θα μπορούσε να αλλάξει τους κανόνες στο μέλλον της πληροφορικής και της ηλεκτρονικής», ανέφερε ο καθηγητής Rupert Huber από το Πανεπιστήμιο του Ρέγκενσμπουργκ στη Γερμανία.

Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα να εξετάσει αν τα εξιτόνια μπορούν να μετατραπούν σε μαγνητικές διεγέρσεις του ηλεκτρονικού spin, κάτι που θα επέτρεπε τη μετατροπή της κβαντικής πληροφορίας μεταξύ φωτονίων, εξιτονίων και ηλεκτρονίων, με εναλλαγή μεταξύ μαγνητισμένων και μη μαγνητισμένων καταστάσεων ως εργαλείο μεταγωγής.

Σκοπός είναι η πλήρης αξιοποίηση των ιδιοτήτων του χρωμιούχου βρωμιούχου θείου για σύνθετες, πολυλειτουργικές κβαντικές συσκευές. Όπως δήλωσε ο καθηγητής Mackillo Kra, από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, «το όραμα είναι να κατασκευαστούν κβαντικά μηχανήματα που να χρησιμοποιούν και τα τέσσερα μέσα: φωτόνια για μετάδοση, ηλεκτρόνια για επεξεργασία, μαγνητισμό για αποθήκευση και φωνόνια για μετατροπή συχνοτήτων».

Η έρευνα αυτή αναδεικνύει πόσο κοντά βρισκόμαστε σε ένα νέο κεφάλαιο της τεχνολογίας, όπου οι κβαντικές ιδιότητες της ύλης μπορούν να αξιοποιηθούν με τρόπους που μέχρι πρόσφατα ανήκαν στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας.

[via]