Tworzenie kwantowych partnerstw: lepsze splątanie fotonów dzięki nowym rozwiązaniom w nanoskali

WarsawNaukowcy z Columbia Engineering osiągnęli znaczący przełom w tworzeniu par fotonów, kluczowych dla technologii kwantowych, za pomocą znacznie mniejszego i bardziej energooszczędnego urządzenia. Pod kierownictwem profesora Jamesa Schucka, zespół opracował metodę wykorzystującą cienkie warstwy materiału zwanego disiarczkiem molibdenu typu van der Waalsa. Ten przełom ma na celu poprawę integracji przyszłych urządzeń kwantowych na chipach, zwiększając efektywność energetyczną i możliwości.

Nowe urządzenie ma grubość zaledwie 3,4 mikrometra i może zrewolucjonizować budowę systemów kwantowych. Zespół badawczy ułożył sześć cienkich kryształków disiarczku molibdenu, przy czym każda warstwa jest obrócona o 180 stopni względem sąsiadujących. Gdy światło przechodzi przez te warstwy, doświadczany jest proces quasi-fazowego dopasowania, co umożliwia tworzenie par fotonów przydatnych w technologiach komunikacyjnych. To pierwszy raz, kiedy taka metoda została zastosowana w materiałach van der Waalsa do generowania par fotonów.

Zalety tej nowej metody to:

Większa wydajność w generowaniu par fotonów, zmniejszenie błędów w porównaniu do wcześniejszych metod, możliwość znacznych oszczędności energetycznych, zgodność z technologiami wbudowanymi, oraz zastosowanie w komunikacji satelitarnej i mobilnych sieciach kwantowych.

Sukces tych badań opiera się na wcześniejszych odkryciach zespołu. W 2022 roku zidentyfikowali ograniczenia w użyciu disiarczku molibdenu ze względu na interferencję fal świetlnych, co jest problemem, który teraz rozwiązali. Zręczne ustawienie orientacji kryształów pozwoliło im osiągnąć efektywne generowanie par fotonów na mniejszych skalach.

Celem nowatorskich badań realizowanych przez Columbia Engineering we współpracy z Centrum Badawczym Energetycznego Frontu Ministerstwa Energii jest wykorzystanie możliwości materiałów kwantowych. Dzięki temu przełomowi naukowcy, tacy jak Chiara Trovatello i zespół, otwierają drogę do zastąpienia dużych, tradycyjnych kryształów bardziej efektywnymi materiałami do przyszłych zastosowań kwantowych.

Wpływ urządzeń w nanoskali

Wpływ nowo opracowanego urządzenia w skali nano jest istotny na kilka kluczowych sposobów. Przybliża nas to do zintegrowania podstawowych komponentów kwantowych w kompaktowych i energooszczędnych systemach. Badania te stanowią przełom w miniaturyzacji technologii niezbędnej do komunikacji i przetwarzania kwantowego. Oto dlaczego to ma znaczenie:

• Urządzenie jest niewielkie, ale bardzo wydajne, co pozwala na integrację z typowymi układami krzemowymi.
• Poprawia efektywność energetyczną, zmniejszając zapotrzebowanie na energię dla technologii kwantowych.
• Wykorzystanie materiałów van der Waalsa otwiera nowe możliwości dla architektur fotoniki kwantowej.

Wyobraź sobie przyszłe technologie, które zużywają mniej energii, a jednocześnie oferują szybszą i bardziej niezawodną komunikację. To urządzenie zapowiada możliwość takich osiągnięć. Dzięki zmniejszeniu rozmiarów systemu potrzebnego do generowania splątanych par fotonów, czyni technologię kwantową bardziej praktyczną i wszechstronną w użyciu. Umożliwia to szersze zastosowanie, od ulepszania infrastruktury telekomunikacyjnej po rozwój bezpiecznej komunikacji kwantowej dla urządzeń mobilnych i satelitów.

Wykorzystanie materiałów van der Waalsa, takich jak disiarczek molibdenu, jest nowatorskie. Te materiały, odpowiednio ułożone warstwowo, skutecznie i precyzyjnie zarządzają światłem. Zmniejsza to ryzyko błędów w parowaniu fotonów, co prowadzi do bardziej spójnych rezultatów. Taka niezawodność jest kluczowa, aby przyszłe technologie mogły działać płynnie i efektywnie.

Konsekwencje tych odkryć wykraczają poza miniaturyzację i efektywność. Obejmują one rozszerzenie zastosowań technologii kwantowych na nowe, masowe wykorzystania. Przemysły korzystające z precyzyjnych technologii optycznych, takie jak lotnictwo i telekomunikacja, mogą znacznie zyskać. To przełomowe osiągnięcie przybliża nas do praktycznych technologii kwantowych, które można zintegrować z istniejącymi i nowymi infrastrukturami. W miarę jak rozwijamy te odkrycia, obszar szybkiej i bezpiecznej komunikacji będzie się dynamicznie rozwijał. Te innowacje stworzą fundamenty dla kolejnego etapu ery inżynierii kwantowej.

Przyszłe zastosowania kwantowe

Postępy w generowaniu splątanych par fotonów za pomocą nanomateriałów torują drogę dla nowej ery technologii kwantowej. Te ulepszenia dają przedsmak tego, co jest możliwe, gdy zastosowania kwantowe wykraczają poza obecne ograniczenia. Integracja wysoce wydajnych, małych urządzeń kwantowych otwiera fascynujące możliwości. Oto kilka potencjalnych zastosowań:

Ulepszona telekomunikacja dzięki szybszym prędkościom przesyłania danych, bardziej bezpieczne szyfrowanie poprzez zaawansowaną komunikację kwantową, rozwój bardziej czułego sprzętu laboratoryjnego, wydajne obliczenia kwantowe z niższym zużyciem energii oraz rozszerzenie satelitarnych sieci komunikacyjnych.

Łatwość integracji tej nowej technologii do istniejących układów krzemowych oznacza, że możemy spodziewać się urządzeń, które będą nie tylko bardziej wydajne, ale także bardziej energooszczędne. To doskonale wpisuje się w branżowy trend ku ekologicznym rozwiązaniom. Ponadto, zdolność do niezawodnego generowania splątanych fotonów na tak małą skalę toruje drogę do szerokiego zastosowania w różnych sektorach. Przykładowo, komunikacja kwantowa ulegnie rewolucyjnej zmianie dzięki tej innowacji. Nowo powstające technologie, takie jak kwantowe szyfrowanie, zapewnią niespotykany dotąd poziom bezpieczeństwa, chroniąc dane w sposób niedostępny dla tradycyjnych metod.

Dzięki wysokiej skuteczności oraz mniejszej liczbie błędów, ta metoda eliminuje problemy, z którymi borykają się większe i bardziej masywne systemy. Obecnie można sobie wyobrazić platformy obliczeń kwantowych, które są zarówno kompaktowe, jak i zdolne do wykonywania zadań wymagających, przy który klasyczne komputery mają trudności, takich jak przeprowadzanie skomplikowanych symulacji i obliczeń.

W miarę jak naukowcy doskonalą tę technologię, urządzenia te mogą stać się fundamentem przyszłych sieci kwantowych. Te innowacje poszerzają granice tego, co osiągalne zarówno w elektronice konsumenckiej, jak i w dużych aplikacjach przemysłowych. Przejście od masywnych instalacji do zintegrowanych rozwiązań na chipie odzwierciedla szerszy trend w technologii: czynienie rzeczy mniejszymi, szybszymi i bardziej wydajnymi. Stojąc na progu tego kwantowego skoku, przyszłość niesie ogromny potencjał dla transformacyjnych postępów w sposobie komunikacji, przetwarzania informacji i zabezpieczania danych.