Monitorování překvapivých výsledků kvantových experimentů. Kredit: David Awschalom.

Každodenní elektronika má za sebou celá desetiletí miniaturizace. Ta ale už v podstatě narazila na fyzikální limity, které se stávajícími technologiemi není možné překročit. Není to ale konec vývoje, nýbrž začátek. Výzkumné týmy intenzivně hledají alternativy, s nimiž by bylo možné standardní křemíkovou elektroniku nahradit. Jeden ze slibných směrů dnes představují kvantové technologie.

Kvantové systémy využívají podivuhodné zákonitosti, jimž podléhá svět nepatrných částic. Kvantové jevy přitom považujeme za příliš „křehké“ na to, aby mohly fungovat v běžně využívané elektronice, jako jsou notebooky, chytré telefony anebo elektronika v automobilech a dalších strojích. Teď ale ukázalo, že to byl omyl.

David Awschalom. Kredit: University of Chicago.

Molekulární inženýr David Awschalom z americké University of Chicago a jeho tým dosáhli významného průlomu, když se jim podařilo vytvořit a ovládat kvantové stavy v běžné elektronice na bázi karbidu křemíku. Badatelé přiznávají, že je velmi překvapilo, když zjistili, že je možné zprovoznit výkonné kvantové bity v komerční elektronice. Jejich objev by mohl mít dalekosáhlý dopad a mohl by změnit celý pohled na vývoj kvantových technologií. Možná dokonce dokážeme vyrobit kvantová zařízení s využitím soudobé elektroniky a stávajících výrobních postupů, což nepochybně čekal málokdo. Jejich výzkum publikovaly časopisy Science a Science Advances.

Díky průlomu Awschalomova týmu bude možné snadněji navrhovat a stavět kvantovou elektroniku. Vědci a inženýři v současné době používají pro kvantové experimenty exotické materiály, jako jsou supravodivé kovy, levitující atomy nebo diamanty. Teď by to mělo být jednodušší.

Kvantové stavy, které badatelé vytvořili v karbidu křemíku ještě jako bonus vyzařují fotony o vlnové délce blízké telekomunikačním pásmům. To novou technologii vyloženě předurčuje pro dálkový přenos dat v té stejné síti optických kabelů, kterou dnes proudí asi 90 procent všech mezinárodně přenášených dat. A tyto fotony nabízejí i další pozoruhodné výhody, když jsou využity běžnou elektronikou. Awschalom a spol. dokázali postavit věc, které přezdívají kvantové FM rádio. Používá k přenosu kvantových dat na extrémně velkou vzdálenost stejný postup, jako dnešní FM rádio v automobilu.

University of Chicago, logo.

Podle veškerých dosavadních teorií je s kvantovými stavy nutné pracovat ve velmi čistém materiálu a mimo dosah všemožných rušivých polí. Awschalom s kolegy ale prokázali, že s vhodně zvoleným designem může vzniknout kvantové zařízení, které má k čistým materiálům a prostředí bez rušivých vlivů hodně daleko.

Ve všech polovodičových zařízeních se nachází spousta „nečistot“. Na kvantové úrovni tyto nečistoty produkují elektronický šum, který by měl zdevastovat kvantový signál. Jak ale překvapivě zjistil Awschalomův tým, jeden prvek běžný prvek každodenní elektroniky dokáže elektronický šum na kvantové úrovni úplně utlumit. Tím klíčovým prvkem je dioda. S jejím využitím badatelé dosáhli toho, že elektronický šum najednou zmizel a kvantový signál se stal perfektně stabilním. Vše nasvědčuje tomu, že použitelné kvantové technologie jsou zase blíž.

Video: David Awschalom - What future technologies will quantum science make possible?


Video: TEDxCaltech - David Awschalom - Spintronics: Abandoning Perfection for the Quantum Age


Literatura
University of Chicago 6. 12. 2019, Science 366: 1225-1230, Science Advances 5: eaay0527.