นักวิจัยได้ระบุวัสดุสองมิติที่สามารถใช้เพื่อเก็บข้อมูลควอนตัมที่อุณหภูมิห้อง
หน่วยความจำควอนตัมเป็นส่วนสำคัญในการสร้างอินเทอร์เน็ตควอนตัมซึ่งข้อมูลควอนตัมได้รับการจัดเก็บและส่งผ่านโฟตอนหรืออนุภาคของแสงอย่างปลอดภัย
นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการคาเวนดิชแห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ร่วมกับเพื่อนร่วมงานจาก UT Sydney ในออสเตรเลีย ได้ระบุวัสดุสองมิติคือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม ซึ่งสามารถปล่อยโฟตอนเดี่ยวจากข้อบกพร่องระดับอะตอมในโครงสร้างที่อุณหภูมิห้องได้
นักวิจัยค้นพบว่าแสงที่ปล่อยออกมาจากข้อบกพร่องที่แยกได้เหล่านี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของควอนตัมที่สามารถใช้เพื่อเก็บข้อมูลควอนตัมที่เรียกว่าสปิน ซึ่งหมายความว่าวัสดุอาจเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานควอนตัม ที่สำคัญ การหมุนควอนตัมสามารถเข้าถึงได้ผ่านแสงและที่อุณหภูมิห้อง
การค้นพบนี้สามารถสนับสนุนเครือข่ายควอนตัมที่ปรับขนาดได้ซึ่งสร้างขึ้นจากวัสดุสองมิติที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง รายงาน ผลการวิจัยใน วารสาร Nature Communications
เครือข่ายการสื่อสารในอนาคตจะใช้โฟตอนเดียวในการส่งข้อความไปทั่วโลก ซึ่งจะนำไปสู่เทคโนโลยีการสื่อสารระดับโลกที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น
คอมพิวเตอร์และเครือข่ายที่สร้างขึ้นบนหลักการของกลศาสตร์ควอนตัมจะมีประสิทธิภาพมากกว่าและปลอดภัยกว่าเทคโนโลยีในปัจจุบันมาก อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เครือข่ายดังกล่าวเป็นไปได้ นักวิจัยจำเป็นต้องพัฒนาวิธีการที่เชื่อถือได้ในการสร้างโฟตอนเดี่ยวที่แยกไม่ออกในฐานะผู้ให้บริการข้อมูลข้ามเครือข่ายควอนตัม
“เราสามารถส่งข้อมูลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้โดยใช้โฟตอน แต่ถ้าเราจะสร้างเครือข่ายควอนตัมจริง เราจำเป็นต้องส่งข้อมูล จัดเก็บ และส่งไปที่อื่น” ดร.ฮันนาห์ สเติร์น จาก Cavendish Laboratory ของเคมบริดจ์กล่าว ผู้เขียนร่วมคนแรกของการศึกษา พร้อมด้วย Qiushi Gu และ Dr John Jarman “เราต้องการวัสดุที่สามารถเก็บข้อมูลควอนตัมเป็นระยะเวลาหนึ่งที่อุณหภูมิห้อง แต่แพลตฟอร์มวัสดุในปัจจุบันส่วนใหญ่ที่เรามีนั้นสร้างความท้าทายและทำงานได้ดีที่อุณหภูมิต่ำเท่านั้น”
โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมเป็นวัสดุสองมิติที่เกิดจากการสะสมของไอเคมีในเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ ราคาถูกและปรับขนาดได้ ความพยายามล่าสุดได้เผยให้เห็นถึงการปรากฏตัวของตัวปล่อยโฟตอนเดี่ยวและการมีอยู่ของวงสปินที่เข้าถึงได้ทางแสงอย่างหนาแน่น แต่ไม่ใช่ส่วนต่อประสานสปินโฟตอนแยกเดี่ยวที่ทำงานภายใต้สภาวะแวดล้อม
“โดยปกติแล้ว มันเป็นวัสดุที่ค่อนข้างน่าเบื่อซึ่งปกติใช้เป็นฉนวน” สเติร์นซึ่งเป็นนักวิจัยรุ่นเยาว์ที่วิทยาลัยทรินิตีกล่าว “แต่เราพบว่ามีข้อบกพร่องในวัสดุนี้ที่สามารถปล่อยโฟตอนเดี่ยว ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้ในระบบควอนตัมได้ หากเราสามารถเก็บข้อมูลควอนตัมแบบหมุนได้ แสดงว่าเป็นแพลตฟอร์มที่ปรับขนาดได้”
สเติร์นและเพื่อนร่วมงานของเธอได้ตั้งค่าตัวอย่างโบรอนไนไตรด์รูปหกเหลี่ยมใกล้กับเสาอากาศสีทองขนาดเล็กและแม่เหล็กที่มีความแรงของเซต โดยการยิงเลเซอร์ไปที่ตัวอย่างที่อุณหภูมิห้อง พวกเขาสามารถสังเกตการตอบสนองที่ขึ้นกับสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันมากมายบนแสงที่ปล่อยออกมาจากวัสดุ
นักวิจัยพบว่าเมื่อพวกเขาฉายแสงเลเซอร์บนวัสดุ พวกเขาสามารถจัดการกับการหมุนหรือโมเมนตัมเชิงมุมโดยธรรมชาติของข้อบกพร่อง และใช้ข้อบกพร่องเป็นวิธีการจัดเก็บข้อมูลควอนตัม
“โดยปกติ สัญญาณจะเหมือนกันในระบบเหล่านี้เสมอ แต่ในกรณีนี้ สัญญาณจะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับข้อบกพร่องเฉพาะที่เรากำลังศึกษาอยู่ และไม่ใช่ว่าข้อบกพร่องทั้งหมดจะแสดงสัญญาณ ดังนั้นจึงยังมีอีกหลายสิ่งที่ต้องค้นพบ” กล่าว ผู้เขียนร่วมคนแรก Qiushi Gu “วัสดุมีความแตกต่างกันมากมาย เช่น ผ้าห่มคลุมพื้นผิวที่เคลื่อนไหว คุณเห็นระลอกคลื่นมากมาย และพวกมันต่างกันทั้งหมด”
ศาสตราจารย์ Mete Atature ผู้ดูแลงานนี้กล่าวเสริมว่า “ตอนนี้เราได้ระบุการหมุนแยกที่เข้าถึงได้ด้วยแสงที่อุณหภูมิห้องในวัสดุนี้ ขั้นตอนต่อไปคือการทำความเข้าใจโฟโตฟิสิกส์อย่างละเอียดและสำรวจระบบการทำงานสำหรับการใช้งานที่เป็นไปได้รวมถึงการจัดเก็บข้อมูลและ การตรวจจับควอนตัม จะมีกระแสของฟิสิกส์ที่สนุกสนานติดตามงานนี้”
การวิจัยได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดยสภาวิจัยแห่งยุโรป Mete Atature เป็นเพื่อนของ St John’s College, Cambridge
ข้อมูลอ้างอิง:
Hannah L. Stern, Quishi Gu, John Jarman, et al. ‘ อุณหภูมิห้องตรวจพบการสะท้อนด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กของข้อบกพร่องเดี่ยวในโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม ‘ การสื่อสารธรรมชาติ (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28169-z
