Odkąd piszę o komputerach kwantowych, nowych materiałach i kolejnych obietnicach elektroniki przyszłości, mam wrażenie, że najczęściej wracamy do tego samego problemu. Nie brakuje nam wyłącznie “mocy obliczeniowej” albo “lepszych układów”. Brakuje nam materiałów. Dokładniej mówiąc takich materiałów, które zachowują się wystarczająco przewidywalnie i stabilnie, żeby można było oprzeć na nich praktyczną technologię. Ten problem widać przy dyslokacjach kwantowych i próbach wykorzystania defektów w kryształach, gdzie to, co dawniej uchodziło za wadę materiału, zaczyna być traktowane jak potencjalne rusztowanie dla kubitów. Co więc tym razem wymyśliły wielkie głowy tego świata?
Atom nie jest klockiem LEGO, ale naukowcy coraz częściej tak go traktują
W laboratoriach takich jak MIT i Oak Ridge National Laboratory zaczyna się pojawiać bezczelny wręcz trend, który obejmuje próbę ustawiania atomów w materiale tak, żeby ten zyskał właściwości, których natura nie podała nam gotowych na tacy. Właśnie dlatego najnowsza praca zespołu naukowców jest tak ciekawa. Nie chodzi bowiem jedynie o to, że komuś ot udało się przesunąć atomy. NUDA. To już przecież w historii nauki widzieliśmy… i to dawno, bo słynny eksperyment IBM z 1989 roku polegał na ułożeniu 35 atomów ksenonu tak, aby te utworzyły napis “IBM”.
Czytaj też: Chiny pokazały sprzęt, który zaskoczył mnie podwójnie. Kwantowe obliczenia coraz realniejsze
Pod koniec lat 90. ubiegłego wieku sukces IBM był momentem wręcz symbolicznym, bo oto człowiek po raz pierwszy pokazał, że potrafi świadomie układać pojedyncze atomy na powierzchni materiału. Tyle że tamten pokaz wymagał wielu godzin, bardzo kontrolowanych warunków i dotyczył powierzchni, a nie wnętrza użytkowego materiału. Nowa metoda idzie jednak w inną stronę. Badacze użyli wiązki bowiem elektronów sterowanej algorytmami, aby przesuwać kolumny atomów wewnątrz trójwymiarowej sieci krystalicznej w temperaturze pokojowej.
Naukowcy pracowali na cienkim, około 13-nanometrowym krysztale półprzewodnika znanego jako bromosiarczek chromu. Innymi słowy, to klasyka, bo właśnie ten materiał uznaje się za zdolny do przechowywania informacji kwantowej. W nowej pracy najważniejsze jest jednak nie samo “co”, tylko “jak” – wiązka elektronów nie niszczyła po prostu struktury, lecz była prowadzona tak, aby przesuwać kolumny atomów chromu i tworzyć zaplanowane układy defektów.
Czytaj też: Eksperyment ukazał nowe zjawisko kwantowe. Czym jest długo poszukiwany quadsqueezing?
Działa to tak, że algorytmy ustawiają wiązkę z precyzją kilku pikometrów, czyli kilku bilionowych części metra. Następnie wiązka wykonuje ciasną pętlę, “namierza” pozycję w materiale i przechodzi po odpowiednio zaplanowanej, oscylującej ścieżce. Badacze porównują ten ruch do przeciągnięcia palcem po ekranie telefonu, bo elektrony niejako “popychają” kolumnę atomów w nowe miejsce. Kluczowe jest przy tym użycie bardzo małej liczby elektronów do pozyskania informacji o położeniu, żeby proces był szybki i nie uszkadzał niepotrzebnie kryształu.
40 tysięcy defektów w 40 minut robi wrażenie
W ramach eksperymentu naukowcom udało się stworzyć ponad 40 tysięcy defektów kwantowych w około 40 minut, więc potencjalnie jest to sposób tworzenia tysięcy defektów w krysztale, który może pomóc w budowie urządzeń kwantowych. Musimy jednak pamiętać, że powtarzalność w jednym materiale nie oznacza, że metoda zadziała równie dobrze w dziesiątkach innych. Sam zespół z MIT zaznacza, że sukces mógł być związany ze specyficzną strukturą elektronową chromu w badanym półprzewodniku i że trwają już teraz prace nad sprawdzeniem, w jakich innych kryształach da się powtórzyć ten schemat. Nie mamy więc jeszcze “uniwersalnego edytora materii”. Mamy za to metodę, która może popchnąć ludzkość w kierunku takiego właśnie dzieła.
Jest to akurat bardzo ważne z perspektywy nauki, bo jeżeli potrafimy tworzyć w krysztale powtarzalne defekty w wybranych miejscach, to zaczynamy wpływać na to, jak elektrony, spiny czy wzbudzenia kwazicząstkowe oddziałują ze sobą lokalnie. To trochę tak, jakby zamiast biernie badać gotowy materiał, można było dopisać mu własne “punkty zachowania”. Nie w kodzie, nie w symulacji, lecz fizycznie, a w sieci atomowej. W tym sensie blisko stąd do większego trendu, w którym badacze szukają sposobu na skalowanie układów kwantowych, bo przecież podobny kierunek widać przy próbach kontrolowania tysięcy atomów jako potencjalnej drogi do większej liczby kubitów.
MIT pisze o fundamencie pod nową klasę programowalnej materii. Słusznie, bo jeśli da się tworzyć w materiale powtarzalne, kontrolowane, trójwymiarowe układy defektów, to otwierają się tutaj drzwi do projektowania właściwości, które nie wynikają po prostu z naturalnego składu chemicznego. Materiał nie musi być tylko “znaleziony” albo “wyhodowany”. Może być w pewnym zakresie napisany. Tyle tylko, że dowolnie konfigurowalne tworzywa, chipy kwantowe odporne na wszystko i materiały, które po kliknięciu zmieniają funkcję, to nadal odległa przyszłość. Ten eksperyment jest bowiem bardziej pokazem narzędzia, umożliwiającego naukowcom badać układy wcześniej praktycznie niedostępne.
