Na decennia van miniaturisering, de elektronische componenten waarop we vertrouwden voor computers en moderne technologieën beginnen nu fundamentele grenzen te bereiken. Geconfronteerd met deze uitdaging, ingenieurs en wetenschappers over de hele wereld wenden zich tot een radicaal nieuw paradigma:kwantuminformatietechnologieën.

Kwantumtechnologie, die gebruik maakt van de vreemde regels die deeltjes op atomair niveau beheersen, wordt normaal gezien als veel te delicaat beschouwd om samen te gaan met de elektronica die we elke dag in telefoons gebruiken, laptops en auto's. Echter, wetenschappers van de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago hebben een belangrijke doorbraak aangekondigd:kwantumtoestanden kunnen worden geïntegreerd en gecontroleerd in veelgebruikte elektronische apparaten gemaakt van siliciumcarbide.

"Het vermogen om hoogwaardige kwantumbits in commerciële elektronica te maken en te besturen, was een verrassing, " zei hoofdonderzoeker David Awschalom, de Liew Family Professor in Molecular Engineering aan UChicago en een pionier in kwantumtechnologie. "Deze ontdekkingen hebben de manier veranderd waarop we denken over het ontwikkelen van kwantumtechnologieën - misschien kunnen we een manier vinden om de hedendaagse elektronica te gebruiken om kwantumapparaten te bouwen."

In twee artikelen gepubliceerd in Wetenschap en wetenschappelijke vooruitgang , De groep van Awschalom toonde aan dat ze kwantumtoestanden die zijn ingebed in siliciumcarbide elektrisch kunnen regelen. De doorbraak zou een middel kunnen zijn om kwantumelektronica gemakkelijker te ontwerpen en te bouwen - in tegenstelling tot het gebruik van exotische materialen die wetenschappers gewoonlijk moeten gebruiken voor kwantumexperimenten, zoals supergeleidende metalen, zwevende atomen of diamanten.

Deze kwantumtoestanden in siliciumcarbide hebben het extra voordeel dat ze afzonderlijke lichtdeeltjes uitzenden met een golflengte in de buurt van de telecommunicatieband. "Dit maakt ze zeer geschikt voor langeafstandstransmissie via hetzelfde glasvezelnetwerk dat al 90 procent van alle internationale gegevens wereldwijd transporteert, " zei Awschalom, senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory en directeur van de Chicago Quantum Exchange.

Bovendien, deze lichtdeeltjes kunnen spannende nieuwe eigenschappen krijgen in combinatie met bestaande elektronica. Bijvoorbeeld, in de Science Advances-paper, het team was in staat om te creëren wat Awschalom een ​​"quantum FM-radio" noemde; op dezelfde manier wordt muziek naar uw autoradio verzonden, kwantuminformatie kan over extreem lange afstanden worden verzonden.

"Alle theorieën suggereren dat om een ​​goede kwantumcontrole in een materiaal te bereiken, het moet puur zijn en vrij van fluctuerende velden, " zei afgestudeerde student Kevin Miao, eerste auteur op papier. "Onze resultaten suggereren dat met een goed ontwerp, een apparaat kan niet alleen die onzuiverheden verminderen, maar creëer ook extra vormen van controle die voorheen niet mogelijk waren."

In de Science-paper, ze beschrijven een tweede doorbraak die een veel voorkomend probleem in de kwantumtechnologie aanpakt:ruis.

"Onzuiverheden komen veel voor in alle halfgeleiderapparaten, en op kwantumniveau, deze onzuiverheden kunnen de kwantuminformatie door elkaar gooien door een lawaaierige elektrische omgeving te creëren, " zei afgestudeerde student Chris Anderson, een co-eerste auteur op het papier. "Dit is een bijna universeel probleem voor kwantumtechnologieën."

Maar, door een van de basiselementen van elektronica te gebruiken:de diode, een eenrichtingsschakelaar voor elektronen - het team ontdekte nog een onverwacht resultaat:het kwantumsignaal werd plotseling vrij van ruis en was bijna perfect stabiel.

"In onze experimenten moeten we lasers gebruiken, die helaas de elektronen verdringen. Het is als een stoelendans met elektronen; als het licht uitgaat, stopt alles, maar in een andere configuratie, " zei afgestudeerde student Alexandre Bourassa, de andere co-eerste auteur op het papier. "Het probleem is dat deze willekeurige configuratie van elektronen onze kwantumtoestand beïnvloedt, maar we ontdekten dat het toepassen van elektrische velden de elektronen uit het systeem verwijdert en het veel stabieler maakt."

Door de vreemde fysica van de kwantummechanica te integreren met goed ontwikkelde klassieke halfgeleidertechnologie, Awschalom en zijn groep maken de weg vrij voor de komende kwantumtechnologierevolutie.

"Dit werk brengt ons een stap dichter bij de realisatie van systemen die kwantuminformatie kunnen opslaan en distribueren over 's werelds glasvezelnetwerken, "Awschalom zei. "Dergelijke kwantumnetwerken zouden een nieuwe klasse van technologieën tot stand brengen die het mogelijk maken om onkraakbare communicatiekanalen te creëren, de teleportatie van enkelvoudige elektrontoestanden en de realisatie van een kwantuminternet."