Kupferoxidkristall. (Universität St. Andrews) Eine der Möglichkeiten, wie wir das Potenzial voll ausschöpfen können Quantencomputer beruht darauf, dass sie sowohl auf Licht als auch auf Materie basieren – auf diese Weise können Informationen gespeichert und verarbeitet werden, aber auch mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden.
Wissenschaftler sind diesem Ziel gerade einen Schritt näher gekommen, indem sie erfolgreich die größten jemals geschaffenen Hybridteilchen aus Licht und Materie hergestellt haben.
Diese Quasiteilchen , bekannt als Rydberg-Polaritonen, wurden mit Hilfe eines Steinstücks hergestellt, das Kupferoxid (Cu) enthielt 2 O) Kristalle aus einer alten Lagerstätte in Namibia, einem der wenigen Orte auf der Welt, an denen Kupferoxid vorkommt gefunden in Edelsteinqualität .
Der aus dem Stein gewonnene Kristall wurde poliert und auf weniger als die Breite eines menschlichen Haares verdünnt und zwischen zwei Spiegeln eingespannt, um Licht einzufangen. Das Ergebnis waren Rydberg-Polaritonen, die 100-mal größer waren als alle zuvor beobachteten.
Diese Errungenschaft bringt uns der Entwicklung eines Quantensimulators näher, der diese Rydberg-Polaritonen nutzen kann, indem er Quantenbits oder Qubits verwendet, um Informationen in Nullen, Einsen und mehreren dazwischen liegenden Werten zu speichern – und nicht nur in den Einsen und Nullen klassischer Rechenbits.
(Universität St. Andrews)
„Die Herstellung eines Quantensimulators mit Licht ist der heilige Gral der Wissenschaft“ sagt der Physiker Hamid Ohadi , von der University of St Andrews im Vereinigten Königreich.
„Wir haben einen großen Schritt in diese Richtung gemacht, indem wir Rydberg-Polaritonen geschaffen haben, den Hauptbestandteil davon.“
Das Besondere an Rydberg-Polaritonen ist, dass sie kontinuierlich von Licht zu Materie und wieder zurück wechseln. Die Forscher vergleichen Licht und Materie mit zwei Seiten derselben Medaille, und es ist die Materieseite, auf der Polaritonen miteinander interagieren können.
Dies ist wichtig, da sich Lichtteilchen schnell bewegen, aber nicht miteinander interagieren. Materie ist langsamer, aber sie kann interagieren. Die Kombination dieser beiden Fähigkeiten könnte dazu beitragen, das Potenzial von Quantencomputern auszuschöpfen.
Diese Flexibilität ist bei der Verwaltung von entscheidender Bedeutung wie viel du aushältst die undefiniert bleiben, bis sie beobachtet werden. Eine voll funktionsfähige so viel wie ein Computer Die Entwicklung, die auf dieser Technologie basiert, liegt noch in weiter Ferne, aber wir sind jetzt näher als je zuvor daran, eine solche zusammenzustellen.
Rydberg-Polaritonen entstehen durch die Kopplung von Exzitonen Und Photonen . Hier kam der uralte Edelstein aus Namibia ins Spiel: Kupferoxid ist nützlich und günstig Halbleiter – und frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass es riesige Rydberg-Exzitonen enthielt.
Exzitonen sind elektrisch neutrale Quasiteilchen, die unter den richtigen Bedingungen zur Kopplung mit Lichtteilchen gezwungen werden können. Diese großen Exzitonen in Kupferoxid können mit Photonen in einem speziellen Aufbau gekoppelt werden, der als Fabry-Pérot-Mikrokavität bekannt ist – im Wesentlichen ein Spiegelsandwich.
Dies war ein Schlüsselelement für die Erzeugung der größeren Rydberg-Polaritonen.
„Der Kauf des Steins bei eBay war einfach“, sagt der Physiker Sai Kiran Rajendran , von der University of St Andrews. „Die Herausforderung bestand darin, Rydberg-Polaritonen herzustellen, die in einem extrem engen Farbbereich existieren.“
Sobald voll funktionsfähige Quantencomputer zusammengestellt werden können – möglicherweise unter Verwendung dieser Rydberg-Polaritonen – werden die exponentiellen Verbesserungen der Rechenleistung es ihnen ermöglichen, äußerst komplexe Berechnungen durchzuführen, die über die Möglichkeiten der Computer, die wir heute haben, hinausgehen.
Zu den von den Forschern angeführten Beispielen gehören die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitermaterialien und ein besseres Verständnis der Faltung von Proteinen (wodurch möglicherweise unsere Fähigkeit zur Herstellung medikamentöser Behandlungen verbessert wird).
Die in der neuen Forschung beschriebenen Methoden müssen noch weiter verfeinert werden, damit diese Teilchen in Quantenschaltkreisen verwendet werden können, aber die Grundlagen sind jetzt vorhanden – und das Team glaubt, dass ihre Ergebnisse auch in Zukunft verbessert werden können.
„Diese Ergebnisse ebnen den Weg zur Realisierung stark wechselwirkender Exzitonen-Polaritonen und zur Erforschung stark korrelierter Phasen der Materie mithilfe von Licht auf einem Chip“, schreiben die Forscher in ihrem Papier .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturmaterialien .