Ученые из Стэнфорда уменьшили титан-сапфировые лазера, применяемые в квантовых компьютерах, в 10 000 раз и интегрировали их в чипы. Это позволило снизить стоимость производства с более чем 100 000 долларов до 100 долларов за единицу.
Квантовая революция
Квантовые компьютеры – следующая технологическая революция, обещающие решать сложные задачи, превосходящие возможности обычных компьютеров.
Квантовые компьютеры, в отличие от привычных компьютеров с битами, работают с кубитами. Бита представляет информацию как 0 или 1. Кубит может одновременно быть 0, 1 или их сочетанием благодаря квантовым явлениям, таким как суперпозиция и запутанность.
Кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно благодаря суперпозиции, что значительно увеличивает вычислительные возможности. Например, два кубита способны представлять четыре состояния (00, 01, 10, 11), в то время как один бит может только два (0 или 1). Возможность обработки нескольких состояний параллельно позволяет квантовым компьютерам решать некоторые задачи намного быстрее обычных.
Квантовая запутанность, явление квантовой механики, соединяет кубиты таким образом, что состояние одного мгновенно влияет на состояние другого, независимо от расстояния. Это обеспечивает связь и координацию между кубитами, усиливая вычислительную мощность квантовых компьютеров.
Лазеры играют существенную роль в квантовых компьютерах.
Для функционирования передовых машин необходимы чрезвычайно точные и надежные компоненты. Титан-сапфировый (Ti) лазер, используемый для манипулирования кубитами и осуществления точных переходов между состояниями, является одним из таких важных компонентов. Лазеры славятся своей производительностью, однако их большие размеры и высокая стоимость ограничивают применение в лабораториях с ограниченным финансированием.
В областях, таких как нейронауки и микрохирургия, это особенно важно. Например, в оптогенетике ученые применяют свет для управления нейронами, но громоздкие лазеры усложняют процедуры и снижают их точность. Подобные требования предъявляются к микрохирургии: нужны компактные и доступные лазеры для проведения более точных и менее инвазивных операций.
Сложность изготовления не позволяет наладить массовое производство, что тормозит прогресс в технологических и научных областях. Однако ситуация может измениться: ученые из Стэнфорда добились существенного прорыва, уменьшив размеры титановых лазеров в 10 тысяч раз.
Миниатюризация титановых лазеров
Для достижения такой миниатюризации применялась инновационная техника — шлифовка кристаллов сапфира до создания крайне тонкого слоя толщиной в несколько сотен нанометров. нанометрЭто одна миллиардная часть метра. Затем создали в кристалле вихреподобный узор из крошечных гребней. Когда на этот вихрь направляют зеленую лазерную указку, интенсивность лазерного излучения увеличивается с каждым оборотом.
Благодаря этой инновации цена изготовления одного лазера может упасть до примерно 100 долларов, в то время как сейчас она превышает 100 000 долларов. По расчетам ученых, на пластине диаметром десять сантиметров можно произвести тысячи таких лазеров, что приведет к еще большей снижению стоимости единицы продукции. Это достижение делает лазеры более доступными и открывает возможности для их широкого применения в науке и технике.
Титан-сапфировые лазеры могут значительно изменить различные отрасли. В квантовой вычислительной технике эти лазеры позволят создавать более компактные и эффективные машины. Нейробиологи смогут с помощью них осуществлять более точный и щадящий мониторинг нейронов, что усовершенствует исследования и медицинское лечение. Микрохирургические вмешательства станут сверхточными, сократив риски и повысив качество лечения пациентов.
Ученые из Стэнфорда очень рассчитывают на то, что эти лазеры станут доступны для университетских исследований в ближайшие два года. Такая возможность может ускорить научные инновации и открытия, о которых мы пока не задумываемся.