Изследователите представиха първия в света квантов материал, способен да управлява светлината на квантово ниво при стайна температура. Разработката позволява разделянето на фотони в зависимост от техните квантови характеристики без използване на свръхниски температури, които досега оставаха една от основните пречки пред комерсиализацията на квантовите технологии.

Днес повечето квантови устройства изискват охлаждане практически до абсолютната нула. За работата на квантовите компютри, сензорите и системите за защитена комуникация се използват сложни криогенни инсталации, струващи милиони долари, което значително ограничава възможностите за тяхното масово приложение.

Именно затова създаването на квантови материали, които запазват своите свойства при обичайни условия, се счита за едно от ключовите направления в съвременната физика на кондензираното състояние.

Новата разработка решава едновременно две задачи. На първо място, материалът проявява квантови свойства при стайна температура. На второ място, той е способен да изпълнява функцията на своеобразен оптичен сортиращ механизъм, като разделя светлинните частици според техните квантови характеристики.

Ако направим аналогия с обикновената оптика, съвременните призми разделят бялата светлина на съставните ѝ цветове. Новият материал извършва значително по-сложна операция — той разделя фотоните според техните квантови състояния. Това позволява да се изолират необходимите светлинни сигнали без използването на допълнителни сложни оптични компоненти.

Структурата на материала

Уникалността на технологията се състои в използването на уникална структура на материала, която взаимодейства със светлината на нанометрово ниво. При преминаването през него фотоните придобиват различни траектории на движение в зависимост от своите квантови свойства. Подобен ефект открива възможност за създаване на принципно нови фотонни устройства за обработка на информация.

Разработката може да се превърне във важна стъпка за цялата индустрия на квантовите комуникации. Едно от най-перспективните направления за развитие на квантовите технологии днес се счита създаването на глобални мрежи за пренос на данни, защитени от законите на квантовата механика. За разлика от традиционното криптиране, сигурността на квантовата връзка се осигурява от фундаментални физични принципи: опитът за прихващане на информация неизбежно променя състоянието на предаваните фотони и може да бъде открит от получателя.

Проблемът се състои в това, че съществуващите квантови комуникационни системи остават изключително сложни и скъпи. Те изискват използването на специални лазери, свръхчувствителни детектори и често работят само при ниски температури. Възможността за манипулиране на квантовите състояния на светлината при обичайни условия може значително да опрости подобни решения.

Фотонни квантови компютри

Друго потенциално приложение на новия материал могат да бъдат фотонните квантови компютри. За разлика от свръхпроводящите квантови процесори, които използват кубити на базата на електрически схеми, фотонните системи извършват изчисления с помощта на светлината. За техните предимства се считат високата скорост на предаване на информация, ниската енергийна консумация и възможността за работа при стайна температура.

Именно затова най-големите играчи в квантовата индустрия активно инвестират в развитието на фотонни архитектури. Много специалисти ги разглеждат като един от основните конкуренти на свръхпроводящите квантови компютри в дългосрочна перспектива.

Разработката на изследователите може да се окаже особено търсена за създаването на компактни квантови устройства на базата на интегрална фотоника — технология, при която оптичните компоненти се разполагат директно върху полупроводникови чипове. Днес тези решения се разглеждат като един от най-реалистичните пътища за мащабиране на квантовите изчислителни системи и създаване на квантов интернет.

Авторите на работата подчертават, че технологията се намира в ранен етап на развитие и могат да минат години, преди да се появят търговски продукти. Самият факт обаче, че е демонстрирано квантово управление на светлината при стайна температура, е важно постижение за отрасъла. Ако материалът успее да бъде адаптиран за масово производство, той ще позволи значително намаляване на размерите, цената и консумацията на енергия на бъдещите квантови устройства.