Επιστήμονες πραγματοποιούν σημαντικό άλμα προς την κατεύθυνση ενός «τέλειου» κβαντικού μετα-υλικού [μέρος 2]

[Διαβάστε, αν επιθυμείτε, το μέρος 1]

Ένας κβαντικός υπολογιστής (που η τεχνολογική βιομηχανία και η επιστημονική κοινότητα αναζητούν διακαώς εξαιτίας της δυνατότητας να εκτελεί περισσότερο πολύπλοκους υπολογισμούς από ότι είναι δυνατόν να γίνουν με τους σύγχρονους υπερυπολογιστές) θα μπορούσε να έχει πρόσβαση στην παράξενη περιοχή της κβαντικής φυσικής στην οποία οι συνηθισμένοι κανόνες της κλασικής φυσικής δεν εφαρμόζονται.

Ενώ οι σημερινοί υπολογιστές μπορούν να αποθηκεύσουν πληροφορία ως δυαδικά ψηφία – είτε ως ένα, είτε ως μηδέν – ένας κβαντικός υπολογιστής θα χρησιμοποιούσε «qubits» στα οποία ένα ξεχωριστό ψηφίο πληροφορίας μπορεί ταυτόχρονα να υπάρχει σε πολλαπλές καταστάσεις. Αυτά τα «qubits» θα μπορούσαν να πάρουν τη μορφή ατόμων, φωτονίων, ηλεκτρονίων, ή ακόμη ως μια μεμονωμένη θεμελιώδη ιδιότητα ενός σωματιδίου και θα αύξαναν εκθετικά τον αριθμό των υπολογισμών που θα μπορούσε να εκτελέσει ένα υπολογιστής σε μια στιγμή.

Η ανομοιόμορφη κατανομή των υπερψυχόμενων ατόμων στον τεχνητό κρύσταλλο είναι το κλειδί στην πρόσφατη μελέτη. «Αυτή κάνει την κρίσιμη διαφορά για τη δημιουργία ενός “απολύτως” χωρίς απώλειες και αναδιαμορφωνόμενου κβαντικού μετα-υλικού» είπε ο Pankaj K. Jha, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνιας (UC Berkeley), επιτρέποντας την οπτική δομή του τεχνητού κρυστάλλου να αναδιαμορφώνεται από μια [μορφή] ανοιχτής γεωμετρίας (με σχήμα υπερβολής) σε μια κλειστής (ελλειπτική) στην ίδια συχνότητα και με υπερταχύ χρονισμό. Αυτή η ελεγχόμενη αλλαγή σχήματος μεταβάλλει δραματικά την ταχύτητα στην οποία ένα άτομο «διερεύνησης», στον τεχνητό κρύσταλλο, απελευθερώνει ένα φωτόνιο.

Η πρόσφατη πρόταση υποστηρίζει ότι είναι δυνατό να επιταχυνθεί ο ρυθμός, με τον οποίο ένα άτομο «διερεύνησης» μπορεί να εκπέμπει ένα φωτόνιο, από nanoseconds [δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου] σε picoseconds [τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου]. Επίσης, αυτή η διαδικασία θεωρείται χωρίς απώλειες, που σημαίνει ότι το φωτόνιο δεν θα έχανε καθόλου από την ενέργειά του στην περιβάλλουσα δομή όπως πιθανά θα γινόταν σε ένα παραδοσιακό υλικό. Αυτό υπερβαίνει ένα ακόμη εμπόδιο, στην πορεία προς τον κβαντικό υπολογιστή και την επεξεργασία πληροφοριών.

Άτομα που εμφυτεύονται σε ένα τεχνητό κρύσταλλο, σύμφωνα με όσα είπε ο Jha, πιθανά θα μπορούσαν επίσης να πηδήξουν από μια θέση σε μια άλλη. Σε αυτή την περίπτωση, τα άτομα τα ίδια θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως φορείς πληροφορίας σε έναν κβαντικό υπολογιστή ή να διασκευαστούν ως κβαντικοί αισθητήρες. Οι ερευνητές βρήκαν ότι τα άτομα ρουβιδίου είναι ιδανικά, κατάλληλα για τη μελέτη αυτή, ωστόσο τα άτομα βαρίου, ασβεστίου και καισίου μπορούν επίσης να παγιδευτούν ή να εμφυτευθούν σε ένα τεχνητό κρύσταλλο, καθώς παρουσιάζουν όμοια ενεργειακά επίπεδα.

Ενώ ο τεχνητός κρύσταλλος που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη περιγράφεται ως μονοδιάστατος, η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε εύκολα να επεκταθεί για να δημιουργήσει δισδιάστατες και τρισδιάστατες κρυσταλλικές δομές φωτός κβαντικού μετα-υλικού. Η πρόσφατη μελέτη παντρεύει την έρευνα των μετα-υλικών με την επιστήμη των «ψυχρών ατόμων», που είναι άτομα τα οποία έχουν επιβραδυνθεί ή ακόμη και ακινητοποιηθεί, με χρήση φωτός λέιζερ, το οποίο κατά τη διαδικασία τα ψύχει σε υπέρψυχρες θερμοκρασίες. Για να υλοποιήσουν το προτεινόμενο μετα-υλικό σε ένα πραγματικό πείραμα, οι ερευνητές θα χρειαζόταν να παγιδεύσουν αρκετά άτομα ανά θέση πλέγματος στον τεχνητό κρύσταλλο και να τα κρατήσουν στο πλέγμα ακόμη και αν είναι διεγερμένα σε καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας.

Πηγή: Berkeley Lab

Περισσότερα στην μελέτη: Coherence-Driven Topological Transition in Quantum Metamaterials, Phys. Rev. Lett. 116