Technologie udostępnione przez nauki kwantowe pomogą naukowcom lepiej zrozumieć świat przyrody i wykorzystać zjawiska kwantowe z korzyścią dla społeczeństwa. Zmienią one opiekę zdrowotną, transport i komunikację oraz zwiększą odporność na cyberzagrożenia i katastrofy klimatyczne. Na przykład kwantowe czujniki pola magnetycznego umożliwią funkcjonalne obrazowanie mózgu; kwantowa komunikacja optyczna pozwoli na szyfrowaną komunikację; a komputery kwantowe ułatwią odkrywanie materiałów nowej generacji dla fotowoltaiki i leków.
Obecnie technologie te opierają się na materiałach, które są drogie i skomplikowane w przygotowaniu, a ich działanie często wymaga kosztownego i nieporęcznego chłodzenia kriogenicznego. Taki sprzęt opiera się na cennych towarach, takich jak ciekły hel, który staje się coraz bardziej kosztowny w miarę zmniejszania się globalnej podaży. Rok 2023 przyniesie rewolucję w innowacjach w materiałach dla kwantów, która zmieni technologie kwantowe. Oprócz zmniejszenia wymagań środowiskowych, materiały te umożliwią pracę w temperaturze pokojowej i oszczędność energii, a także będą tanie i będą miały proste wymagania dotyczące przetwarzania. Aby zoptymalizować swoje właściwości kwantowe, laboratoria badawcze mogą manipulować strukturą chemiczną i upakowaniem molekularnym. Dobrą wiadomością jest to, że fizycy i inżynierowie byli zajęci, a w 2023 r. materiały te przeniosą się z laboratoriów naukowych do rzeczywistego świata.
Niedawno brytyjska Rada Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi ogłosiła wizję innowacji w materiałach dla technologii kwantowych, kierowaną przez Imperial College London i University of Manchester. Londyńskie Centrum Nanotechnologii — współpraca setek badaczy z Imperial, King’s i University College London — ma duże doświadczenie w symulacji i charakteryzowaniu układów kwantowych. Brytyjskie centrum pomiarów — Narodowe Laboratorium Fizyczne — właśnie otworzyło Instytut Metrologii Kwantowej, wielomilionowy obiekt zajmujący się charakteryzacją, walidacją i komercjalizacją technologii kwantowych. Pracując razem, naukowcy i przemysł zapoczątkują nową erę w farmaceutyce, kryptografii i cyberbezpieczeństwie.
Kubity, elementy składowe komputerów kwantowych, opierają się na materiałach o właściwościach kwantowych, takich jak spin elektronu, którymi można manipulować. Gdy już uda nam się wykorzystać te właściwości, możemy je kontrolować za pomocą światła i pól magnetycznych, tworząc zjawiska kwantowe, takie jak splątanie i superpozycja. Kubity nadprzewodzące, najnowocześniejsza technologia kubitów, obejmują złącza Josephsona, które działają jak nadprzewodniki (materiały, które mogą przewodzić prąd elektryczny z zerową rezystancją) w bardzo niskich temperaturach (–273ºC). Surowe wymagania dotyczące temperatury i wysokiej częstotliwości oznaczają, że nawet najbardziej podstawowe aspekty tych nadprzewodzących kubitów – dielektryki – są trudne do zaprojektowania. W tej chwili kubity obejmują materiały takie jak azotek krzemu i tlenek krzemu, które mają tak wiele defektów, że same kubity muszą mieć milimetrową wielkość, aby przechowywać energię pola elektrycznego, a przesłuch między sąsiednimi kubitami wprowadza znaczny szum. Dotarcie do milionów kubitów wymaganych dla praktycznego komputera kwantowego byłoby niemożliwe z tymi materiałami.
Rok 2023 przyniesie więcej innowacji w projektowaniu materiałów dla technologii kwantowych. Spośród wielu niesamowitych kandydatów rozważanych do tej pory (np. diamenty z defektami luki azotowej, materiały van der Waalsa/2D i nadprzewodniki wysokotemperaturowe) najbardziej ekscytuje mnie wykorzystanie materiałów molekularnych. Materiały te zostały zaprojektowane w oparciu o półprzewodniki organiczne na bazie węgla, które stanowią uznaną klasę materiałów do skalowalnej produkcji elektroniki użytkowej (zrewolucjonizowały branżę wyświetlaczy OLED o wartości wielu miliardów dolarów). Możemy wykorzystać chemię do kontrolowania ich właściwości optycznych i elektronicznych, a infrastruktura towarzysząca ich rozwojowi opiera się na ugruntowanej wiedzy specjalistycznej.
Na przykład chiralne materiały molekularne – cząsteczki, które istnieją jako para nienakładalnych odbić lustrzanych – zrewolucjonizują technologie kwantowe. Cienkie, jednoręczne warstwy tych niezwykle wszechstronnych cząsteczek można wykorzystać do kontrolowania spinu elektronów w temperaturze pokojowej. Jednocześnie długie czasy koherencji spinu oraz dobra stabilność termiczna i chemiczna ftalocyjanin metali sprawią, że będą one wykorzystywane do przenoszenia informacji kwantowej.
Podczas gdy w 2023 roku bez wątpienia pojawią się bardziej bombastyczne nagłówki na temat prędkości działania komputerów kwantowych, naukowcy zajmujący się materiałami będą badać, odkrywać i projektować nową generację tanich, wydajnych i zrównoważonych technologii kwantowych.
.jpg "Odnowione wkładki douszne Nothing to poważni kandydaci")
