رفتن به محتوای اصلی
مواد کوانتومیتوضیح و تحلیل۲۷ مرداد ۱۴۰۵، ۱۶:۲۲· 4 دقیقه مطالعه· #1 از 2 در فناوری

ساخت اولین ماده کوانتومی در دمای اتاق؛ خداحافظی با یخچال‌های عظیم برای کامپیوترهای کوانتومی

محققان دانشگاه ایالتی لوئیزیانا (LSU) یک فرابَلور (Metacrystal) مبتنی بر طلا ساختند که می‌تواند حالت‌های کوانتومی نور را در دمای اتاق مرتب و منتقل کند. این پیشرفت نیاز به خنک‌سازی برودتی حجیم را از بین می‌برد و یکی از مهم‌ترین موانع در مسیر عملیاتی شدن محاسبات کوانتومی را برطرف می‌سازد.

به قلم نیما موسوی

محققان فوتونیک کوانتومی 40%حامیان انرژی‌های تجدیدپذیر 30%منتقدان سخت‌افزار 30%
محققان فوتونیک کوانتومی
استدلال می‌کنند که سیستم‌های کوانتومی مبتنی بر نور، واقع‌بینانه‌ترین مسیر برای فرار از محدودیت‌های برودتی هستند که در حال حاضر صنعت را محدود کرده‌اند.
حامیان انرژی‌های تجدیدپذیر
بر کاربردهای ثانویه فرابَلورهای کوانتومی، به ویژه پتانسیل آن‌ها برای کاهش شدید اتلاف گرما در سلول‌های خورشیدی، تمرکز دارند.
منتقدان سخت‌افزار
تأکید می‌کنند که اگرچه این ماده یک پیشرفت در فیلتر نوری است، اما یک جزء غیرفعال هنوز تا تبدیل شدن به یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً برنامه‌پذیر و تحمل‌پذیر در برابر خطا، فاصله زیادی دارد.

وقتی اکثر مردم یک کامپیوتر کوانتومی را تصور می‌کنند، یک پردازنده شیک و آینده‌نگر به ذهنشان می‌آید. در واقعیت، تراشه کوانتومی واقعی بسیار کوچک است، اما در داخل یک یخچال رقیق‌سازی عظیم و شبیه لوستر دفن شده است که میلیون‌ها دلار هزینه دارد و مقادیر زیادی انرژی مصرف می‌کند تا سیستم را فقط کسری از درجه بالاتر از صفر مطلق نگه دارد.

این وابستگی به برودت، مدت‌هاست که راز پنهان انقلاب کوانتومی بوده است. تا زمانی که کیوبیت‌ها برای بقا به شرایط انجماد عمیق نیاز داشته باشند، فناوری کوانتومی در آزمایشگاه‌های تخصصی محبوس می‌ماند و برای مراکز داده استاندارد یا دستگاه‌های لبه (Edge Devices) غیرقابل دسترس خواهد بود.[2][5]

اکنون، فیزیکدانان دانشگاه ایالتی لوئیزیانا (LSU) راهی برای شکستن این مانع خنک‌سازی نشان داده‌اند. این تیم در مطالعه‌ای که در مجله نیچر منتشر شد، از اولین ماده کوانتومی با دمای اتاق رونمایی کرد که قادر به تمایز و انتقال حالت‌های کوانتومی مختلف نور است.[1]

این ماده یک عنصر طبیعی نیست، بلکه یک «فرابَلور پلاسمونیک آماری کوانتومی» است؛ ساختاری که با دقت از پایه مهندسی شده تا نویز حرارتی را دور بزند و بر آن غلبه کند.[1][3]

فرابَلور به عنوان یک فیلتر هندسی غیرفعال عمل می‌کند و نور را بر اساس خواص آماری کوانتومی آن مرتب‌سازی می‌کند.

برای ساخت آن، محققان یک لایه نازک طلا به ضخامت ۱۱۰ نانومتر را روی یک زیرلایه شیشه‌ای قرار دادند. سپس با استفاده از پرتوهای یونی متمرکز، صدها شکاف میکروسکوپی را در فلز حک کردند و الگویی نازک‌تر از تار موی انسان ایجاد نمودند.[1][4]

این شکاف‌های ریز به عنوان اتم‌های مصنوعی یا «فرااتم‌ها» عمل می‌کنند. هنگامی که نور به تراشه برخورد می‌کند، امواجی از الکترون‌ها را در امتداد سطح طلا ایجاد می‌کند که به آن‌ها پلاسمون می‌گویند. محققان با کنترل دقیق اندازه، شکل و فاصله فرااتم‌ها، یک فیلتر هندسی غیرفعال ایجاد کردند که نور را صرفاً بر اساس خواص آماری کوانتومی آن دستکاری می‌کند.[1][4]

ادعای اصلی این است که این فرابَلور می‌تواند انواع مختلف نور، مانند نور لیزر در مقابل نور حرارتی، را بدون از بین بردن اطلاعات کوانتومی شکننده رمزگذاری شده در آن‌ها، مرتب‌سازی کند.[3][5]

در سیستم‌های کوانتومی سنتی، ارتعاشات مداوم اتمی ناشی از گرمای دمای اتاق، فوراً این داده‌ها را به هم می‌ریزد؛ فرآیندی که به آن واهمدوسی (Decoherence) می‌گویند. تیم LSU با تغییر تمرکز از الکترون‌ها و اتم‌ها به فوتون‌ها، که کمتر در معرض اختلال حرارتی هستند، و استفاده از هندسه طلا برای هدایت فوتون‌ها به مسیرهای پایدار، این مشکل را دور زد.[2][4]

برخلاف سیستم‌های کوانتومی سنتی، این فرابَلور به طور کامل در دمای اتاق و با استفاده از یک تنظیمات نوری مبتنی بر لیزر آزمایش شد.
در سیستم‌های کوانتومی سنتی، ارتعاشات مداوم اتمی ناشی از گرمای دمای اتاق، فوراً این داده‌ها را به هم می‌ریزد؛ فرآیندی که به آن واهمدوسی (Decoherence) می‌گویند.

برای اثبات کارایی طراحی خود، این تیم فرابَلور را در برابر ۱۳ منبع نوری چندفوتونی مختلف آزمایش کرد. آن‌ها نشان دادند که این ماده به طور طبیعی باندهای آماری «مجاز» و «ممنوعه» ایجاد می‌کند، بسیار شبیه به ساختارهای باند الکترونیکی که نحوه هدایت الکتریسیته توسط نیمه‌رساناها را تعیین می‌کنند.[1][2]

نوری که در باند مجاز قرار دارد، بدون تغییر از بلور عبور می‌کند، در حالی که نور در باند ممنوعه به یک حالت مجاز منتقل می‌شود. نکته حیاتی این است که این انتقال قوی به طور کامل در دمای اتاق رخ داد و انسجام کوانتومی ذرات در حال تعامل را حفظ کرد.[1][5]

مهم است که بین آنچه واقعاً به دست آمده و تبلیغات بازاریابی اجتناب‌ناپذیر تمایز قائل شویم. تیم LSU نه یک کامپیوتر کوانتومی با دمای اتاق ساخته است و نه یک پردازنده تجاری تولید کرده که بتوانید آن را به قفسه سرور متصل کنید.

کاری که آن‌ها انجام داده‌اند، ایجاد یک اصل طراحی بنیادی است؛ طرحی که ثابت می‌کند فوتونیک کوانتومی در خارج از تأسیسات برودتی، یک هدف مهندسی معتبر است و نه یک غیرممکن نظری. این فرابَلور به عنوان یک غربال هندسی پیوسته عمل می‌کند و نور را مجبور می‌سازد تا آمار چندفوتونی خود را صرفاً از طریق محدودیت‌های فضایی بازآرایی کند.[3]

با تغییر تمرکز از الکترون‌ها به فوتون‌ها، این ماده جدید نیاز به خنک‌سازی برودتی را دور می‌زند.

اگرچه فیزیک پشت این ایده درست است، اما تبدیل این اثبات مفهوم به یک دستگاه عملی، همچنان یک چالش بزرگ است. ادغام چنین ساختارهایی در شبکه‌های کوانتومی پیچیده و چندجزئی، مستلزم غلبه بر موانع تولید قابل توجهی است، به ویژه در به حداقل رساندن افت سیگنال هنگام حرکت امواج پلاسمونیک در سطح فلز.[1]

با این حال، کاربردهای بالقوه این کشف بسیار فراتر از محاسبات است. از آنجا که این فرابَلور می‌تواند نور را در مسیرهای بسیار پایدار و با حداقل اتلاف هدایت کند، محققان در حال برنامه‌ریزی برای آزمایش این ماده در داخل سلول‌های خورشیدی هستند.[4]

در فتوولتائیک‌های مدرن، بخش قابل توجهی از نور خورشید ورودی به دام افتاده و به گرمای هدر رفته تبدیل می‌شود. ماده‌ای که نور را به صورت هوشمند در سطح کوانتومی هدایت کند، می‌تواند کارایی برداشت انرژی خورشیدی را به شدت افزایش دهد و یک پیشرفت فیزیک کوانتومی را به ابزاری برای انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل کند.[2]

تیم LSU با اثبات اینکه هندسه می‌تواند بر نویز حرارتی غلبه کند، یک راهنمای جدید برای صنعت کوانتوم ارائه کرده است. رقابت برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی عملی دیگر فقط در مورد ساخت یخچال‌های بهتر نیست؛ بلکه در مورد مهندسی موادی است که اصلاً به آن‌ها نیازی ندارند.[5]

نکات کلیدی

  • فیزیکدانان LSU اولین ماده کوانتومی با دمای اتاق را ساختند که قادر به مرتب‌سازی حالت‌های کوانتومی نور است.
  • این ماده یک «فرابَلور» مبتنی بر طلا است که با شکاف‌های میکروسکوپی حکاکی شده و به عنوان اتم‌های مصنوعی عمل می‌کند.
  • این ماده نیاز به یخچال‌های برودتی عظیم را که در حال حاضر برای پایدار نگه داشتن سیستم‌های کوانتومی لازم هستند، دور می‌زند.
  • فراتر از محاسبات، توانایی این ماده در هدایت کارآمد نور می‌تواند برای بهبود فناوری سلول‌های خورشیدی استفاده شود.

چرا مهم است

در حال حاضر، کامپیوترهای کوانتومی برای نگهداری قطعات خود در نزدیکی صفر مطلق، به سیستم‌های خنک‌کننده برودتی عظیم و چند میلیون دلاری نیاز دارند که این امر، فناوری کوانتومی را محدود به آزمایشگاه‌های تحقیقاتی با بودجه بالا می‌کند. این کشف با اثبات اینکه انسجام کوانتومی می‌تواند در دمای اتاق حفظ و دستکاری شود، راه را برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی کوچک‌تر، ارزان‌تر و قابل استقرار گسترده در زمینه‌هایی مانند محاسبات، ارتباطات امن و حتی سلول‌های خورشیدی بسیار کارآمد هموار می‌کند.

اصطلاحات کلیدی

انسجام کوانتومی
حالت شکننده‌ای که در آن ذرات اطلاعات کوانتومی را به اشتراک می‌گذارند و به صورت هماهنگ و موج‌مانند رفتار می‌کنند.
واهمدوسی
از دست دادن انسجام کوانتومی، که معمولاً ناشی از گرما یا تداخل محیطی است و اطلاعات کوانتومی را از بین می‌برد.
پلاسمونیک
مطالعه نحوه تعامل نور با امواج الکترونی (پلاسمون‌ها) در سطح یک فلز.
فرابَلور
یک ساختار بلوری که به صورت مصنوعی مهندسی شده تا امواج (مانند نور یا صدا) را به روش‌هایی دستکاری کند که مواد طبیعی قادر به انجام آن نیستند.
فوتون‌ها
ذرات بنیادی نور، که نسبت به اختلال حرارتی کمتر حساس هستند.

پرسش‌های متداول

فرابَلور پلاسمونیک چیست؟

این یک ماده مصنوعی است که از یک لایه نازک طلا با شکاف‌های میکروسکوپی ساخته شده است. این شکاف‌ها به عنوان اتم‌های مصنوعی عمل می‌کنند تا نور و امواج الکترونی (پلاسمون‌ها) را در سطح فلز دستکاری کنند.

چرا کامپیوترهای کوانتومی معمولاً باید اینقدر سرد باشند؟

گرما باعث ارتعاشات اتمی می‌شود که حالت‌های کوانتومی شکننده را از بین می‌برد؛ فرآیندی که واهمدوسی نامیده می‌شود. خنک‌سازی برودتی این ارتعاشات را کند می‌کند تا اطلاعات کوانتومی حفظ شود.

آیا این بدان معناست که به زودی کامپیوترهای کوانتومی در تلفن‌های ما خواهند بود؟

خیر. این یک پیشرفت بنیادی در مواد است، نه یک پردازنده کامل. با این حال، ثابت می‌کند که قطعات کوانتومی می‌توانند در دمای اتاق کار کنند، که این اولین گام ضروری به سوی دستگاه‌های کوچک‌تر است.

این فناوری چگونه به انرژی خورشیدی کمک می‌کند؟

فرابَلور می‌تواند نور را با کارایی بسیار بالا هدایت کند. اگر در سلول‌های خورشیدی ادغام شود، می‌تواند از به دام افتادن و هدر رفتن نور خورشید به صورت گرمای تلف شده جلوگیری کرده و خروجی برق پنل را افزایش دهد.

منابع

پوشش منابع

5 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

محققان فوتونیک کوانتومی 40%حامیان انرژی‌های تجدیدپذیر 30%منتقدان سخت‌افزار 30%
  1. [1]Natureمحققان فوتونیک کوانتومی

    Quantum statistical plasmonic metacrystals

    مطالعه در Nature
  2. [2]ScienceDailyحامیان انرژی‌های تجدیدپذیر

    This tiny gold crystal could bring quantum technology out of the deep freeze

    مطالعه در ScienceDaily
  3. [3]Phys.orgمنتقدان سخت‌افزار

    Physicists create first room-temperature quantum material

    مطالعه در Phys.org
  4. [4]ScienceAlertمنتقدان سخت‌افزار

    The First Room-Temperature Quantum Material of Its Kind Is Spun From Atoms of Gold

    مطالعه در ScienceAlert
  5. [5]SciTechDailyحامیان انرژی‌های تجدیدپذیر

    World's First Room-Temperature Quantum Material Sorts Light in an Unprecedented Way

    مطالعه در SciTechDaily

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

دریافت فناوری اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، مستقیم در صندوق ورودی شما.