Kvantarvutus jau daudzus gadus ticis uzskatīts par nākotnes tehnoloģiju, kas spēj atrisināt uzdevumus, ar kuriem mūsdienu superdatori netiktu galā pat miljoniem gadu laikā. Tomēr šo sistēmu attīstību līdz šim bremzēja būtisks šķērslis – tās ir ļoti grūti palielināt mērogā un ārkārtīgi jutīgas pret apkārtējās vides ietekmi. Tāpēc ASV zinātnieku jaunākais atklājums izskan kā īsta sensācija: izrādījies, ka tikai daži nanometri zelta var uzvesties kā ideāli kvantelementi, kurus līdz šim izdevās izveidot vien ar sarežģītu un praksē neparocīgu gāzes fāzes atomslazdu palīdzību. Šādas struktūras, ko dēvē par “zelta superatomiem”, ne vien spēj konkurēt ar pasaules labākajiem kvantrisinājumiem, bet arī ir ražojamas rūpnieciskā apjomā – tas ir pirmais reālais solis ceļā uz patiesi mērogojamiem kvantdatoriem.
Zelta nano daļiņas, kas var pārveidot priekšstatu par kvantdatoriem
Līdz šim kvanttehnoloģiju izstrādātāji galvenokārt darbojās ar gāzes sistēmām, kurās atomiem ir īpašas ar elektronu spinu saistītas īpašības. Savukārt Pensilvānijas štata universitātes un Kolorādo štata universitātes zinātnieki piedāvā pavisam citu pieeju. Atklājums ir vienkāršs, bet iespaidīgs: speciāli veidoti zelta nanoklastri atdarina to atomu uzvedību, kurus izmanto augstākās klases kvantierīcēs. Šos klastrus var pielāgot molekulārā līmenī, turklāt to ražošana ir salīdzinoši vienkārša un piemērota liela apjoma vajadzībām.
Pētījuma vadītājs, Pensilvānijas štata universitātes Ķīmijas katedras vadītājs profesors Kens Knāpenbergers uzsver, ka šiem klastiem ir tās pašas elektronu spina īpašības, kas līdz šim bija sasniedzamas vien ar ārkārtīgi sarežģītu gāzes fāzes atomslazdu palīdzību. Vēl nozīmīgāk ir tas, ka zinātniekiem izdevās regulēt spina polarizāciju, kuru parastos kvantmateriālos parasti uzskata gandrīz par nemainīgu lielumu. Zelta nanoklastri kļuva par pierādījumu, ka kvantinformāciju iespējams vadīt daudz elastīgāk, lētāk un vieglāk mērogojami nekā līdz šim.
Jums varētu patikt šie:
Elektronu spins – kvanttehnoloģiju slēptais dzinējspēks
Elektrona spins ir izšķirošs gan ķīmiskajās reakcijās, gan kvantsistēmās – jo īpaši kvantdatoros un īpaši precīzos sensoros. Tas, kā spin iestādījumi ir izvietoti telpā un cik labi tie spēj saglabāt savstarpējo saskaņotību, nosaka kvantaprēķinu precizitāti un informācijas saglabāšanas ilgumu. Viens no pētījuma galvenajiem autoriem Neits Smits atgādina, ka materiāli, kuros elektroni spēj noturēt stabilas savstarpējās korelācijas, ir gan precīzāki, gan uzticamāki.
Līdz šim labākie rezultāti tika sasniegti tā dēvētajās gāzes sistēmās ar lādētiem atomiem. Tajās elektronus iespējams ievest Rīdbērga stāvokļos, kurus raksturo ilgstoša un stabila spina polarizācija, kā arī spēja pastāvēt superpozīcijā – tas ir kvantarvotošanas kodols. Taču šādas sistēmas pēc savas būtības ir retas un grūti mērogojamas: gāzes fāzē esošie atomi ir ļoti izkliedēti, un ikviens mēģinājums tos sablīvēt izjauc kvantinformāciju.
Zelta klasteri kā sīki superatomi
Jaunais pētījums parāda, ka tā dēvētie monolayer-protected tipa zelta klasteri, kas sastāv no zelta kodola un to aptverošām molekulām – ligandiem –, var atveidot visas būtiskās kvantom īpašības. To elektronu uzvedība atgādina viena atoma uzvedību, tādēļ zinātnieki tos dēvē par “superatomi”.
Vēl iespaidīgāks ir fakts, ka pētnieki atklāja veselas 19 unikālas spina polarizētas konfigurācijas, kas līdzinās Rīdbērga stāvokļiem. Līdz šim šāda stāvokļu daudzveidība bija iespējama tikai gāzes fāzē uzturētiem atomiem. Tas nozīmē, ka zelta nanoklastri teorētiski spēj veikt tās pašas kvantoperācijas, bet bez sarežģītas un dārgas aparatūras.
Spina vadība – liels izrāviens
Viena no nozīmīgākajām atklājuma šķautnēm ir iespēja mainīt spina polarizāciju, aizstājot klasteru ligandmolekulas. Viens no pētītajiem klasteriem parādīja 7 procentu spina polarizāciju, bet cits – ar atšķirīgu ligandu struktūru – gandrīz 40 procentus. Šāds līmenis ir salīdzināms ar augstākās klases divdimensiju kvantmateriāliem.
Jums varētu patikt šie:
Knāpenbergers akcentē, ka ar spinu saistītās īpašības ir tieši saistītas ar molekulāro vibrāciju intensitāti. Citiem vārdiem sakot – mainot ķīmisko vidi, kas apņem klasteri, iespējams mainīt arī tā kvantom īpašības. Šāda vadāmība ir ārkārtīgi reta un ļoti pieprasīta, veidojot jaunas kvantsistēmas.
Zinātnieku nākamais mērķis ir pētīt, kā konkrētas ligandu izmaiņas ļauj vēl precīzāk kontrolēt klasteru kvantuzvedību. Tas paver pilnīgi jaunu virzienu, kurā ķīmiķi var ar sintēzes metožu palīdzību radīt kvantmateriālus ar iepriekš noteiktām īpašībām – ko līdz šim lielākoties uzskatīja par teju neiespējamu.
Nākotnes kvantierīces kā ķīmiskā dizaina auglis
Šis pētījums iezīmē jaunu ēru kvanttehnoloģijās – tādu, kurā īpaši precīzas kvantom īpašības nav sasniedzamas tikai ar fizikālām metodēm, bet arī ar mērķtiecīgu ķīmisko dizainu. Tādējādi nākotnes kvantdatori, sensori, sakaru sistēmas un citas augsto tehnoloģiju ierīces var kļūt ne vien mazākas un lētākas, bet arī reāli mērogojamas rūpnieciskā līmenī.
Pētījumu finansēja ASV Gaisa spēku Zinātnisko pētījumu birojs (Air Force Office of Scientific Research) un Nacionālais zinātnes fonds (National Science Foundation). Rezultāti publicēti divos prestižos zinātniskos žurnālos – ACS Central Science un The Journal of Physical Chemistry Letters.
Fotogrāfijas ir ilustratīvas © Canva, ja nav norādīts citādi.
