След десетилетия на миниатюризация електронните компоненти, на които разчитахме за компютрите и съвременните технологии, вече започват да достигат фундаментални граници. Изправени пред това предизвикателство, инженери и учени по света се насочват към коренно нова парадигма - квантовите информационни технологии.

Квантовата технология, която използва странните правила, които управляват частиците на атомно ниво, обикновено се смята за твърде деликатна, за да съществува заедно с електрониката, която използваме в ежедневието в телефони, лаптопи и автомобили. Учените от Университета по молекулярно инженерство Pritzker на Чикаго обаче обявиха значителен пробив: Квантовите състояния могат да бъдат интегрирани и контролирани в масово използвани електронни устройства, направени от силициев карбид.

„Способността да се създават и контролират високоефективни квантови битове в търговската електроника беше изненада“, заяви водещият изследовател Дейвид Аушалом, професор по молекулярно инженерство в UChicago и пионер в квантовата технология. „Тези открития промениха начина, по който мислим за разработването на квантови технологии - може би можем да намерим начин да използваме днешната електроника за изграждане на квантови устройства.“

В два доклада, публикувани в Science and Science Advances, екипът демонстрира, че могат да контролират електрически квантови състояния, вградени в силициев карбид. Пробивът може да предложи средство за по-лесно проектиране и изграждане на квантова електроника, за разлика от използването на екзотични материали, които учените обикновено трябва да използват за квантови експерименти, като свръхпроводящи метали, левитирани атоми или диаманти.

Тези квантови състояния в силициев карбид имат допълнителното предимство да излъчват единични частици светлина с дължина на вълната в близост до телекомуникационната лента. „Това ги прави подходящи за предаване на дълги разстояния през същата оптична мрежа, която вече транспортира 90 процента от всички международни данни в световен мащаб“, казва Аушалом.

Освен това, тези светлинни частици могат да придобият нови вълнуващи свойства, ако се комбинират със съществуващата електроника. Например в доклада на Science Advances екипът успява да създаде онова, което Аушалом нарича "квантово FM радио" - по същия начин, по който музиката се предава на радиото в колата ви, квантовата информация може да се изпраща на изключително големи разстояния.

„Цялата теория предполага, че за да се постигне добър квантов контрол в даден материал, той трябва да е чист и без променливи полета“, казва аспирантът Кевин Миао, първи автор на статията. „Нашите резултати предполагат, че при правилен дизайн устройство може не само да смекчи тези примеси, но и да създаде допълнителни форми на контрол, които преди това не са били възможни.“

В научния документ те описват втори пробив - в много често срещан проблем в квантовата технология: шумът.

„Шумът е често срещан във всички полупроводникови устройства и на квантово ниво може да разграбят квантовата информация чрез създаване на зашумена електрическа среда“, казва аспирантът Крис Андерсън, който е първият автор на документа. "Това е почти универсален проблем за квантовите технологии."

Но, използвайки един от основните елементи на електрониката - диод, еднопосочен превключвател за електрони, екипът открил още един неочакван резултат: Квантовият сигнал внезапно се освободил от шум и бил почти напълно стабилен.

"В нашите експерименти трябва да използваме лазери, които за съжаление дразнят електроните наоколо[...] когато светлината изгасне, всичко спира, но в различна конфигурация", казва аспирантът Александър Бураса, другият съавтор на статията. "Проблемът е, че тази случайна конфигурация на електрони влияе на нашето квантово състояние. Но ние открихме, че прилагането на електрически полета премахва електроните от системата и я прави много по-стабилна."

Чрез интегриране на странната физика на квантовата механика с добре разработената класическа полупроводникова технология, екипът проправя пътя за идващата революция в квантовата технология.

„Тази работа ни доближава до реализирането на системи, способни да съхраняват и разпространяват квантова информация в световните оптични мрежи“, каза Аушалом. "Такива квантови мрежи биха довели до нов клас технологии, позволяващи създаването на непроменими комуникационни канали, телепортирането на единични електронни състояния и реализирането на квантов интернет."

Christopher P. Anderson et al. Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax9406

Kevin C. Miao et al. Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aay0527