Kvantinė kompiuterija ne vienerius metus buvo vaizduojama kaip ateities technologija, galinti išspręsti uždavinius, kurių šiandieniniai superkompiuteriai neįveiktų net per milijonus metų. Tačiau šių sistemų tobulinimui trukdo esminė problema – jos sunkiai plečiamos ir itin jautrios aplinkos trikdžiams. Būtent todėl naujausias JAV mokslininkų atradimas skamba kaip sensacija: paaiškėjo, kad vos keli nanometrai aukso gali elgtis kaip tobuli kvantiniai elementai, iki šiol kuriami naudojant sudėtingas ir ne itin praktiškas dujines atomų gaudykles. Tokie „auksiniai super atomai“ galėtų ne tik prilygti geriausiems pasaulio kvantiniams sprendimams, bet ir būti gaminami dideliais kiekiais, o tai – pirmasis realus žingsnis į tikrai mastelio dėsnius atitinkančius kvantinius kompiuterius.
Auksinės nanodalelės, galinčios pakeisti kvantinius kompiuterius
Kol kvantinių technologijų kūrėjai vargo su dujinėmis sistemomis, kurių atomai turi išskirtines elektronų sukinio savybes, Pensilvanijos valstijos universiteto ir Kolorado valstijos universiteto mokslininkai rado naują kelią. Atradimas paprastas, bet stulbinantis: specialiai suformuoti aukso nanoklasteriai atkartoją elgesį atomų, kurie naudojami aukščiausios klasės kvantiniuose įrenginiuose. Tokius klasterius galima pritaikyti molekuliniu lygmeniu, o jų gamyba nesudėtinga ir pritaikoma dideliems kiekiams.
Tyrimo vadovas, profesorius ir Pensilvanijos valstijos universiteto chemijos katedros vadovas Ken Knappenberger pabrėžė, kad šie klasteriai turi tas pačias elektronų sukinio savybes, kurios iki šiol buvo pasiekiamos tik naudojant itin sudėtingas dujų fazės atomų gaudykles. Dar svarbiau – mokslininkams pavyko reguliuoti sukinio poliarizaciją, kuri tradicinėse kvantinėse medžiagose laikoma beveik nekintama konstanta. Auksiniai nanoklasteriai tapo įrodymu, kad kvantinė informacija gali būti valdoma lankstesniais, pigesniais ir lengviau plečiamais būdais.
Elektronų sukinys – slaptas kvantinių technologijų variklis
Elektrono sukinys yra esminis veiksnys tiek cheminėse reakcijose, tiek kvantinėse sistemose, ypač kompiuteriuose ir sensoriuose. Nuo to, kaip elektronų sukiniai išsidėstę ir kaip gerai jie išlaiko tarpusavio sinchronizaciją, priklauso kvantinių skaičiavimų tikslumas bei informacijos išlaikymo trukmė. Nate Smith, vieno iš tyrimų pirmasis autorius, primena, kad medžiagos, kurių elektronai sugeba išlaikyti ilgalaikę tarpusavio koreliaciją, yra tikslesnės ir patikimesnės.
Iki šiol geriausi rezultatai buvo pasiekti naudojant taip vadinamus įelektrintus atomus dujose – juose elektronai gali būti perkelti į Rydbergo būsenas, pasižyminčias ilgaamže ir stabilia sukinio poliarizacija, o taip pat gebėjimu egzistuoti superpozicijoje. Tai – pati kvantinių skaičiavimų širdis. Tačiau tokios sistemos yra prigimtinai retos ir itin sunkiai plečiamos: atomai dujų būsenoje išsidėsto labai retai, o bet koks bandymas sukurti tankesnę sistemą tiesiog sugadina kvantinę informaciją.
Auksiniai klasteriai – mažyčiai super atomai
Naujas tyrimas rodo, kad monolayer-protected tipo aukso klasteriai, kurių struktūra susideda iš aukso branduolio ir jį gaubiančių molekulių – ligandų – gali atkartoti visas reikalingas kvantines savybes. Šių klasterių elektroninės charakteristikos primena atomo elgseną, todėl mokslininkai juos vadina „super atomais“.
Dar įspūdingiau tai, kad tyrėjai identifikavo net 19 unikalių, Rydbergo būsenas primenančių sukinio poliarizuotų būsenų. Būtent tokios būsenos anksčiau buvo prieinamos tik dujų fazėje laikomuose atomuose. Tai reiškia, kad auksiniai nanoklasteriai teoriškai gali atlikti tas pačias kvantines operacijas, tačiau be sudėtingos ir brangios įrangos.
Sukinio reguliavimas – didysis proveržis
Vienas svarbiausių atradimo aspektų – galimybė keisti sukinio poliarizaciją keičiant klasterių ligandus. Vienas iš ištirtų klasterių demonstravo 7 procentų sukinio poliarizaciją, o kitas, turintis kitokią ligandų struktūrą, – beveik 40 procentų. Šis rodiklis prilygsta pažangiausioms dvimatėms kvantinėms medžiagoms. Knappenberger pabrėžė, kad sukinio savybės tiesiogiai susijusios su molekulinių vibracijų intensyvumu. Kitaip tariant, pakeitus klasterio aplinką, keičiasi ir jo kvantinės savybės – toks valdomumas yra itin retas ir ypač geidžiamas kuriant kvantines sistemas.
Dabar komanda planuoja tirti, kaip konkretūs ligandų pokyčiai gali leisti tiksliai valdyti klasterių kvantinį elgesį. Tai atveria visiškai naują kryptį, kurioje chemikai, naudodami sintezės metodus, gali kurti kvantines medžiagas su pageidaujamomis savybėmis – tai buvo laikoma beveik neįmanoma.
Ateities kvantiniai įrenginiai gali būti chemiškai sukurti
Šis tyrimas atskleidžia naują kvantinių technologijų erą – tokią, kurioje didelio tikslumo kvantinės savybės yra pasiekiamos ne tik fizikiniais metodais, bet ir cheminiu dizainu. Tai reiškia, kad kvantiniai kompiuteriai, sensoriai, komunikacijos sistemos ir kita aukštųjų technologijų įranga galėtų tapti ne tik mažesni ir pigesni, bet ir realiai plečiami pramoniniu mastu.
Tyrimą finansavo JAV Oro pajėgų mokslinių tyrimų biuras ir Nacionalinis mokslo fondas, o rezultatai publikuoti dviejuose prestižiniuose leidiniuose – ACS Central Science ir The Journal of Physical Chemistry Letters.
Nuotraukos asociatyvinės © Canva, jei nenurodyta kitaip.
