ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการที่ควบคุมโครงสร้างของแสงเพื่อบิดและปรับแต่งคุณสมบัติของวัสดุควอนตัม ผลลัพธ์ของพวกเขาเผยแพร่ในวันนี้ที่ ธรรมชาติปูทางไปสู่ความก้าวหน้าในอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมเจเนอเรชั่นถัดไป คอมพิวเตอร์ควอนตัม และข้อมูล เทคโนโลยี.
ทีมงานที่นำโดยนักวิจัยจาก SLAC National Accelerator Laboratory และมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ของ Department of Energy ได้ใช้วิธีการนี้กับวัสดุที่เรียกว่า hexagonal boron nitride (hBN) ซึ่งเป็นอะตอมชั้นเดียวที่จัดเรียงในรูปแบบรังผึ้งพร้อมคุณสมบัติที่ทำให้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว เหมาะสำหรับการจัดการควอนตัม ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์ใช้แสงชนิดพิเศษซึ่งมีสนามไฟฟ้าดูเหมือนพระฉายาลักษณ์ ในการเปลี่ยนแปลงและควบคุมพฤติกรรมของวัสดุในระดับควอนตัมในช่วงเวลาที่เร็วมาก
การที่คลื่นแสงบิดเบี้ยวยังช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุมคุณสมบัติควอนตัมของวัสดุได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นกฎที่กำหนดพฤติกรรมของอิเล็กตรอน ซึ่งจำเป็นสำหรับกระแสไฟฟ้าและการไหลของข้อมูล ความสามารถในการควบคุมคุณสมบัติควอนตัมตามความต้องการนี้สามารถปูทางไปสู่การสร้างสวิตช์ควอนตัมที่เร็วเป็นพิเศษสำหรับเทคโนโลยีในอนาคต
“งานของเราคล้ายกับการค้นหาวิธีใหม่ในการกระซิบต่อโลกควอนตัมและทำให้มันเปิดเผยความลับของมันให้เราทราบ” Shubhadeep Biswas นักวิทยาศาสตร์จาก SLAC และมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าว
เทคนิคแบบเดิมๆ มักต้องการให้แสงมีพลังงานที่เหมาะสมในการทำงานกับวัสดุ ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่แนวทางใหม่นี้จะข้ามผ่านได้อย่างชาญฉลาด การใช้แสงชนิดพิเศษและปรับแต่งรูปแบบให้ตรงกับรูปแบบของวัสดุ นักวิทยาศาสตร์สามารถเกลี้ยกล่อมวัสดุให้มีรูปแบบใหม่ได้โดยไม่ถูกจำกัดโดยคุณสมบัติตามธรรมชาติ
“แสงที่มีโครงสร้างนี้ไม่เพียงแต่ให้แสงสว่างแก่วัสดุเท่านั้น มันบิดไปรอบๆ และเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติควอนตัมของมันตามความต้องการในแบบที่เราสามารถควบคุมได้” Biswas กล่าว
ความยืดหยุ่นนี้อาจทำให้วิธีการทำงานสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ทำให้การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ง่ายขึ้น โดยพื้นฐานแล้ว ทีมงานได้สร้างเงื่อนไขที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในรูปแบบใหม่และควบคุมได้ นั่นอาจนำไปสู่การพัฒนาสวิตช์ที่เร็วเป็นพิเศษสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งอาจมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ในปัจจุบันอย่างมาก
นอกเหนือจากผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นในทันที การวิจัยครั้งนี้ถือเป็นคำมั่นสัญญาสำหรับการใช้งานในอนาคตในขอบเขตของ "valleytronics" ซึ่งเป็นสาขาที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมของอิเล็กตรอนที่อาศัยอยู่ในหุบเขาพลังงานที่แตกต่างกันของวัสดุสำหรับการประมวลผลข้อมูล แตกต่างจากวิธีการแบบดั้งเดิมที่ต้องการแสงที่ตรงกับหุบเขาพลังงานเหล่านั้น วิธีการใหม่นี้สามารถปรับเปลี่ยนได้มากกว่า ซึ่งเป็นการนำเสนอทิศทางใหม่ในการพัฒนาอุปกรณ์ควอนตัม
ความสามารถของนักวิจัยในการจัดการหุบเขาควอนตัมใน hBN อาจนำไปสู่อุปกรณ์ใหม่ๆ เช่น สวิตช์ควอนตัมที่เร็วมาก ซึ่งไม่เพียงทำงานบนไบนารีของ 0 และ 1 เท่านั้น แต่ยังทำงานบนภูมิทัศน์ของข้อมูลควอนตัมที่ซับซ้อนมากขึ้นอีกด้วย ซึ่งจะช่วยให้สามารถประมวลผลและจัดเก็บข้อมูลได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
“ไม่ใช่แค่การเปิดและปิดสวิตช์เท่านั้น” Matthias F. Kling ผู้ร่วมงาน ผู้อำนวยการแผนก R&D ของ LCLS กล่าว “เป็นเรื่องเกี่ยวกับการสร้างสวิตช์ที่สามารถมีอยู่ได้ในหลายสถานะพร้อมกัน ซึ่งจะช่วยเพิ่มพลังและศักยภาพให้กับอุปกรณ์ของเราได้อย่างมหาศาล โดยเปิดทางใหม่ในการออกแบบคุณสมบัติของวัสดุในระดับควอนตัม แอปพลิเคชันที่มีศักยภาพนั้นมีมากมาย ตั้งแต่การคำนวณควอนตัมไปจนถึงการประมวลผลข้อมูลควอนตัมรูปแบบใหม่”
การวิจัยยังให้ความกระจ่างเกี่ยวกับวิธีการพื้นฐานที่นักวิทยาศาสตร์สามารถโต้ตอบและควบคุมโลกควอนตัมได้ สำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง การเดินทางสู่อาณาจักรควอนตัมไม่ใช่แค่ความตื่นเต้นในการค้นพบเท่านั้น แต่ยังเป็นการก้าวข้ามขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ด้วย
“หนึ่งในแง่มุมที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือศักยภาพที่แท้จริงของการค้นพบของเรา” Biswas กล่าว “เรากำลังอยู่บนจุดสูงสุดของเทคโนโลยียุคใหม่ และเราเพิ่งเริ่มสำรวจสิ่งที่เป็นไปได้เมื่อเราควบคุมพลังของวัสดุควอนตัม”
ทีมงานยังรวมถึงนักวิจัยจากสถาบัน Max Planck แห่ง Quantum Optics, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat Munich ในเยอรมนี; และ Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid ในสเปน