Naukowcy dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie fizyki kwantowej, identyfikując nowy stan kwantowy w ultracienkich półprzewodnikach dwuwymiarowych. To odkrycie może mieć kluczowe znaczenie dla rozwoju komputerów kwantowych, zwiększając ich stabilność i możliwości przetwarzania informacji.

Kwantowa przyszłość w dwuwymiarowych półprzewodnikach

Komputery kwantowe opierają się na zjawisku splątania kwantowego, które pozwala subatomowym cząstkom dzielić się informacją bez względu na odległość. Jednak utrzymanie tego stanu przez dłuższy czas stanowi wyzwanie, ponieważ tradycyjne trójwymiarowe struktury są podatne na zaburzenia termiczne i zakłócenia elektromagnetyczne.

Tutaj do akcji wkraczają materiały dwuwymiarowe. Półprzewodniki o grubości zaledwie jednej cząsteczki są mniej podatne na negatywne wpływy zewnętrzne, co sprawia, że mogą dłużej utrzymywać stan koherencji kwantowej, niezbędnej do efektywnego przetwarzania informacji.

Czym jest koherencja kwantowa?
To zdolność układu kwantowego do pozostawania w superpozycji stanów przez określony czas. W komputerach kwantowych im dłużej ten stan się utrzymuje, tym lepiej można wykorzystywać zjawisko splątania do wykonywania złożonych obliczeń.

Nowy stan kwantowy: ekscyton-Floquet

Badacze zaobserwowali po raz pierwszy nowy stan kwantowy, łączący dwa znane zjawiska: ekscytony i stany Floqueta. Ekscyton powstaje, gdy foton dostarcza energii elektronowi, powodując jego przejście na wyższy poziom energetyczny, a następnie wiąże się z „dziurą”, która po nim pozostaje. Natomiast stany Floqueta występują w systemach poddawanych okresowym impulsom energii, co prowadzi do tworzenia quasi-stabilnych struktur kwantowych.

Połączenie tych dwóch zjawisk pozwala na dłuższe utrzymywanie splątania kwantowego, co może przełożyć się na bardziej stabilne i wydajne komputery kwantowe.

Ekscytony i ich rola w fizyce kwantowej
Ekscytony to specyficzne quasi-cząstki powstające w półprzewodnikach po pochłonięciu fotonu. Mają one dużą energię wiązania, co oznacza, że mogą być wykorzystywane w przetwarzaniu informacji w systemach kwantowych.

Potencjalne zastosowania nowego stanu kwantowego

Odkrycie ekscytonu-Floqueta może otworzyć drzwi do powstania nowych rodzajów urządzeń kwantowych, które będą bardziej odporne na błędy i mniej podatne na zakłócenia. Możliwe kierunki zastosowań to:

• Pamięci kwantowe – stabilniejsze przechowywanie informacji kwantowej, co jest kluczowe dla praktycznych komputerów kwantowych.
• Sieci kwantowe – przesyłanie danych w sposób znacznie bezpieczniejszy niż w klasycznych systemach telekomunikacyjnych.
• Nowe typy procesorów kwantowych – zwiększenie efektywności przetwarzania informacji, co może przyspieszyć rozwój w dziedzinach takich jak kryptografia, symulacje molekularne czy analiza big data.
•  

Wyzwania i przyszłość badań

Choć nowy stan kwantowy budzi ogromne nadzieje, jego praktyczne zastosowanie wymaga jeszcze wielu badań. Jednym z wyzwań jest produkcja półprzewodników 2D na masową skalę, z zachowaniem jednolitych parametrów fizycznych. Ponadto, konieczne będzie opracowanie metod skutecznej manipulacji stanami kwantowymi w takich materiałach.

Eksperci przewidują, że dalszy rozwój technologii kwantowej będzie miał ogromny wpływ na branże finansową, farmaceutyczną, logistyczną i wiele innych. Szacuje się, że rynek komputerów kwantowych może osiągnąć wartość ponad 65 miliardów dolarów do 2030 roku, co podkreśla skalę potencjalnych korzyści płynących z dalszych badań nad nowymi stanami kwantowymi.

źródło: livescience.com, naseba.sk