Erb w roli głównej
Badacze z University of Chicago, University of California Berkeley oraz laboratoriów Argonne i Lawrence Berkeley postawili na erb – pierwiastek z grupy metali ziem rzadkich, który posiada niezwykłe właściwości optyczne. W przeciwieństwie do innych materiałów, erb charakteryzuje się wyjątkowo “czystą” absorpcją i emisją światła, jednocześnie pozostając wrażliwym na oddziaływania magnetyczne. Ta specyficzna kombinacja cech pozwala stworzonym przez naukowców molekułom pełnić funkcję pomostu między dwoma kluczowymi obszarami technologii kwantowych. Leah Weiss, współautorka badania, wyjaśnia to w następujący sposób:
Te molekuły mogą działać jako nanoskopowy most między światem magnetyzmu a światem optyki. Informacje mogłyby być kodowane w stanie magnetycznym molekuły, a następnie dostępne za pomocą światła o długościach fal kompatybilnych z dobrze rozwiniętymi technologiami
Czytaj też: Najcenniejszy pierwiastek świata znaleziony w USA. Ta substancja może zmienić przyszłość energetyki
Przejścia optyczne i spinowe w tych kubitach charakteryzują się niezwykle wąskim zakresem – rzędu megaherców. Dzięki temu możliwe staje się precyzyjne kontrolowanie stanów kwantowych przy użyciu światła o częstotliwościach już wykorzystywanych w telekomunikacji. Chyba największą zaletą tego rozwiązania jest jego kompatybilność z obecną technologią. Opracowane kubity molekularne współpracują z fotoniką krzemową, co oznacza możliwość integracji z dzisiejszymi układami scalonymi i sieciami światłowodowymi. To rozwiązanie przełamuje jedną z podstawowych barier w rozwoju technologii kwantowych, czyli konieczność budowy zupełnie nowej infrastruktury od podstaw.
Demonstrując wszechstronność tych molekularnych kubitów erbowych, robimy kolejny krok w kierunku skalowalnych sieci kwantowych, które mogą być bezpośrednio włączone do dzisiejszej infrastruktury optycznej – wyjaśnia David Awschalom
Chemia w służbie technologii kwantowych
Nowa technologia otwiera drogę do kilku interesujących zastosowań. Najbardziej oczywistym jest stworzenie kanałów komunikacyjnych o podwyższonym bezpieczeństwie. Sieci kwantowe wykorzystują fundamentalne prawa fizyki, co teoretycznie uniemożliwia podsłuch bez wykrycia. Jednak możliwości wykraczają poza samą komunikację. Dzięki niewielkim rozmiarom i chemicznej elastyczności, kubity molekularne mogą być osadzane w różnych środowiskach, w tym w układach biologicznych. Tam mogłyby funkcjonować jako precyzyjne czujniki, mierzące pola magnetyczne, temperaturę czy ciśnienie na poziomie molekularnym. Takie sensory mogłyby zrewolucjonizować diagnostykę medyczną, umożliwiając wykrywanie chorób na wcześniejszym etapie niż pozwalają na to obecne technologie. Jednym z ciekawszych aspektów tego odkrycia jest wykorzystanie chemii syntetycznej do projektowania materiałów kwantowych.
Chemia molekularna syntetyczna zapewnia możliwość optymalizacji właściwości elektronicznych i optycznych jonów ziem rzadkich w sposób, który może być trudny do osiągnięcia w konwencjonalnych podłożach stałych – zauważa Ryan Murphy
Oznacza to, że naukowcy mogą właściwie projektować kubity “na zamówienie” – dostosowując ich cechy do konkretnych zastosowań. Dotychczasowe badania wykazały, iż kubity posiadają zdolności niezbędne dla architektur wielokubitowych. To kluczowy element, ponieważ większość praktycznych zastosowań technologii kwantowych wymaga współpracy wielu kubitów jednocześnie. Zespół zademonstrował nie tylko podstawowe funkcjonowanie kubitów, ale również ich zdolność do optycznej polaryzacji i odczytu spinu. System potrafi rozróżniać różne stany spinowe i magnetycznie nieekwiwalentne pozycje w krysztale molekularnym.
Wiele wskazywało na to, że jest to ekscytująca platforma do rozwoju wykorzystania optycznych stopni swobody w molekularnych kubitach spinowych. Jednym z głównych celów tej pracy jest rozszerzenie gamy systemów i materiałów kwantowych, którymi możemy sterować – podsumowuje Grant Smith
Wyniki badań na ten temat opublikowano w czasopiśmie Science. Przed nami wciąż wiele wyzwań: od stabilności kubitów przez efektywność transmisji po koszty produkcji. Jednak fakt, że naukowcom udało się stworzyć rozwiązanie kompatybilne z istniejącą infrastrukturą, daje powody do optymizmu. Być może to właśnie molekularne kubity okażą się brakującym ogniwem w rozwoju technologii kwantowych.