צוות מדענים פיתח שיטה הרותמת את מבנה האור כדי לסובב ולכוונן את התכונות של חומרים קוונטיים. התוצאות שלהם, שפורסמו היום ב טבע, לסלול את הדרך להתקדמות בדור הבא של אלקטרוניקה קוונטית, מחשוב קוונטי ומידע טֶכנוֹלוֹגִיָה.
הצוות, בראשות חוקרים ממעבדת המאיץ הלאומית של מחלקת האנרגיה SLAC ואוניברסיטת סטנפורד, יישם שיטה זו על חומר המכונה בורון ניטריד משושה (hBN), שכבה אחת של אטומים המסודרים בתבנית חלת דבש עם תכונות שהופכות אותו לייחודי. מתאים למניפולציה קוונטית. בניסויים שלהם השתמשו המדענים בסוג מיוחד של אור, שהשדה החשמלי שלו נראה כמו חוט, כדי לשנות ולשלוט בהתנהגות החומר ברמה קוונטית בסולם זמן מהיר במיוחד.
הדרך בה מתפתל גל האור מאפשרת לחוקרים לשלוט במדויק על התכונות הקוונטיות של החומר - כללים הקובעים את התנהגות האלקטרונים, החיוניים לחשמל ולזרימת נתונים. יכולת זו לשלוט במאפיינים קוונטיים לפי דרישה יכולה לסלול את הדרך ליצירת מתגים קוונטיים מהירים במיוחד עבור טכנולוגיות עתידיות.
"העבודה שלנו דומה למציאת דרך חדשה ללחוש לעולם הקוונטי ולגרום לו לחשוף בפנינו את סודותיו", אמר שובהדיפ ביזוואז, מדען ב-SLAC ובאוניברסיטת סטנפורד שהוביל את המחקר.
טכניקות מסורתיות לרוב דורשות מהאור שתהיה לו בדיוק את האנרגיה הנכונה לעבוד עם חומר, מגבלה שגישה חדשה זו עוקפת בחוכמה. על ידי שימוש בסוג מיוחד של אור והתאמת התבנית שלו כך שתתאים לתבנית החומר, מדענים יכולים לשדל את החומר לתצורות חדשות מבלי להיות מוגבל על ידי תכונותיו הטבעיות.
"האור המובנה הזה לא רק מאיר את החומר; הוא מתפתל סביבו, משנה את התכונות הקוונטיות שלו לפי דרישה בצורה שאנו יכולים לשלוט", אמר ביזוואז.
גמישות זו יכולה לאפשר לשיטה לעבוד עבור מגוון רחב של יישומים, מה שמקל על פיתוח טכנולוגיות חדשות. למעשה, הצוות יצר תנאים שבהם אלקטרונים נעים בדרכים חדשות וניתנות לשליטה. זה יכול, למשל, להוביל לפיתוח של מתגים מהירים במיוחד עבור מחשבים קוונטיים, שיכולים לעלות באופן דרסטי על המחשבים שבהם אנו משתמשים כיום.
מעבר לתוצאות המיידיות, מחקר זה טומן בחובו הבטחה ליישומים עתידיים בתחום ה"וואליטרוניקה", תחום הממנף את התכונות הקוונטיות של אלקטרונים השוכנים בעמקי אנרגיה שונים של חומר לעיבוד מידע. בניגוד לגישות מסורתיות הדורשות אור המותאם לאותם עמקי אנרגיה, השיטה החדשה ניתנת להתאמה יותר, ומציעה כיוון חדש לפיתוח מכשירים קוונטיים.
יכולתם של החוקרים לתמרן את העמקים הקוונטיים ב-hBN עלולה להוביל להתקנים חדשים, כמו מתגים קוונטיים מהירים במיוחד, הפועלים לא רק על הבינארי של 0 ו-1 אלא על הנוף המורכב יותר של מידע קוונטי. זה יאפשר דרכים מהירות ויעילות יותר לעיבוד ואחסון מידע.
"זה לא רק להפעיל ולכבות מתג", אמר משתף הפעולה מתיאס פ. קלינג, מנהל חטיבת המו"פ ב-LCLS. "מדובר ביצירת מתג שיכול להתקיים במספר מצבים בו-זמנית, מה שמגדיל באופן ניכר את הכוח והפוטנציאל של המכשירים שלנו. זה פותח דרך חדשה לגמרי להנדס את תכונות החומרים ברמה הקוונטית. היישומים הפוטנציאליים הם עצומים, החל ממחשוב קוונטי ועד צורות חדשות של עיבוד מידע קוונטי."
המחקר גם שופך אור על הדרכים הבסיסיות שבהן מדענים יכולים ליצור אינטראקציה עם העולם הקוונטי ולשלוט בו. עבור המדענים המעורבים, המסע הזה אל התחום הקוונטי הוא לא רק על הריגוש שבגילוי אלא על דחיפת הגבולות של מה שאפשרי.
"אחד ההיבטים המרגשים ביותר הוא הפוטנציאל העצום של הממצאים שלנו", אמר ביזוואז. "אנחנו על סף עידן חדש בטכנולוגיה, ואנחנו רק מתחילים לחקור מה אפשרי כשאנחנו רותמים את הכוח של חומרים קוונטיים."
הצוות כלל גם חוקרים ממכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat Munich בגרמניה; ו-Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid בספרד.