Ученым из Стэнфорда удалось миниатюризировать титан-сапфировые (Ti) лазеры, используемые в квантовых компьютерах, сделав их в 10 000 раз меньше предыдущих моделей и встроив их в чип. Традиционно такие лазеры стоят более 100 000 долларов каждый. Однако благодаря этому инновационному методу, по оценкам ученых, стоимость производства может снизиться всего до 100 долларов за лазер.
Квантовая революция
Квантовые компьютеры представляют собой следующую технологическую революцию и обещают решать сложные задачи, далеко выходящие за рамки возможностей обычных компьютеров. Они используют принципы квантовой механики для выполнения вычислений с беспрецедентной скоростью и эффективностью.
В отличие от традиционных компьютеров, использующих биты, квантовые компьютеры используют кубиты. Традиционные биты, используемые в обычных компьютерах, представляют информацию в двоичной форме — либо 0, либо 1. Кубиты же могут одновременно представлять 0, 1 или их суперпозицию, благодаря таким принципам квантовой механики, как суперпозиция и запутанность.
Суперпозиция позволяет кубиту находиться в нескольких состояниях одновременно, что экспоненциально увеличивает вычислительные возможности. Например, если один бит может представлять только два состояния (0 или 1), то два кубита могут одновременно представлять четыре состояния (00, 01, 10, 11). Способность обрабатывать несколько состояний одновременно означает, что квантовые компьютеры могут выполнять вычисления параллельно, обеспечивая гораздо большую вычислительную мощность, чем обычные компьютеры, для решения определенных типов задач.
Кроме того, квантовая запутанность, еще одно явление квантовой механики, позволяет соединять кубиты так, что состояние одного из них может мгновенно повлиять на состояние другого, даже находясь на большом расстоянии. Это позволяет осуществлять связь и координацию между кубитами, что еще больше увеличивает вычислительную мощность квантовых компьютеров.
Важнейшая роль лазеров для квантовых компьютеров
Для работы этих передовых машин требуются чрезвычайно точные и надежные компоненты. Одним из таких важных компонентов является титан-сапфировый (Ti) лазер, используемый для манипулирования кубитами и осуществления точных переходов между состояниями. Эти лазеры славятся своей производительностью, но у них есть существенные недостатки. Их большие размеры и высокая стоимость ограничивают их использование хорошо финансируемыми исследовательскими лабораториями.
Это особенно актуально в таких областях, как нейронауки и микрохирургия. Например, в оптогенетике, где ученые используют свет для управления нейронами, громоздкие лазеры делают процедуры более сложными и менее точными. Аналогично, для микрохирургии требуются компактные и доступные лазеры, позволяющие проводить более точные и менее инвазивные вмешательства.
Более того, сложность их изготовления не позволяет наладить крупномасштабное производство, что препятствует прогрессу в различных технологических и научных областях. Но скоро ситуация может измениться. Ученые из Стэнфорда совершили большой прорыв, уменьшив размеры титановых лазеров в 10 000 раз.
Миниатюризация титановых лазеров
Чтобы добиться такой миниатюризации, они использовали инновационную технику, которая заключается в шлифовке кристаллов сапфира для получения чрезвычайно тонкого слоя толщиной в несколько сотен нанометров (нанометр — это одна миллиардная часть метра). Затем они 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 стоимость производства каждого лазера может снизиться примерно до 100 долларов, в то время как в настоящее время она составляет более 100 000 долларов. Более того, по расчетам ученых, тысячи таких лазеров могут быть изготовлены на пластине диаметром десять сантиметров, что еще больше снизит стоимость единицы продукции. Это достижение не только делает лазеры более доступными, но и открывает возможность их масштабного применения в различных областях науки и техники.
Миниатюрные титан-сапфировые лазеры могут произвести революцию во многих областях. Например, в области квантовых компьютеров эти лазеры могут сделать машины более компактными и эффективными. В нейробиологии эти лазеры могут обеспечить более точный и менее инвазивный мониторинг нейронов, тем самым облегчая исследования и медицинское лечение. В микрохирургии они также могут предложить сверхточные хирургические вмешательства, снижая риски и улучшая результаты для пациентов.
Стэнфордские ученые очень надеются, что эти лазеры будут доступны для университетских исследований в течение ближайших двух лет. Эта возможность может стать катализатором научных инноваций и открытий, которые мы пока даже не можем себе представить.