Postępy europejskich naukowców w nowoczesnej fizyce

Dokonywanie pomiarów w skali pojedynczych cząsteczek z wykorzystaniem technik kwantowych powinno przynieść ogromne postępy w różnorodnych dziedzinach, w tym w informatyce i naukach medycznych.

Prace finansowanego ze środków UE projektu SQUTEC (Solid State Quantum Technology and Metrology Using Spins) pomagają w realizacji tego celu poprzez wykorzystanie defektu w diamencie i jego właściwości spinu magnetycznego.

Partnerzy projektu nawiązali już kontakty z przemysłem komputerowym. "Współczesne techniki komputerowe osiągają już granice możliwości miniaturyzacji i optymalizowania szybkości przetwarzania. Następnym skokiem jakościowym będzie zastosowanie technik kwantowych", wyjaśnia prof. Jörg Wrachtrup z uniwersytetu w Stuttgarcie, który otrzymał zaawansowany grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych w celu zrealizowania projektu SQUTEC. "To nowy sposób wykonywania obliczeń. Pokazujemy, że defekty w kryształach diamentu — momenty magnetyczne — mogą znaleźć zastosowanie w obliczeniach kwantowych", tłumaczy prof. Wrachtrup.

"W trakcie badań dość nieoczekiwanie stwierdziliśmy, że analizowane defekty diamentów wykazują doskonałe właściwości. Okazały się one bardzo czułe na pola magnetyczne, pola elektronowe, temperatury i ciśnienia", dodał.

Partnerzy projektu współpracują z producentami dysków twardych, ale technologię można zastosować również w biologii molekularnej i komórkowej. "Możemy wspomóc techniki obrazowania medycznego, aby usprawnić wykrywanie w neurologii i onkologii", objaśnia prof. Wrachtrup.

Za cel projektu przyjęto opracowanie złożonych układów jednospinowych, wykorzystujących defekty diamentu. Takie układy umożliwiłyby badanie fundamentalnych własności fizycznych, takich jak kwantowość spinów stanu stałego, i możliwości zastosowania ich w czujnikach.

Pionierskie technologie

W ramach projektu SQUTEC zbudowano już prototypowy układ. "Następnym etapem będzie opracowanie narzędzia kontroli jakości gotowego do stosowania na liniach produkcyjnych. Już za dwa-trzy lata mogą pojawić się na rynku dyski twarde i inne urządzenia elektroniczne testowane właśnie w tej technologii", przewiduje prof. Wrachtrup.

Technologia opracowana przez projekt SQUTEC to pierwsze tego rodzaju rozwiązanie. "To pierwszy czujnik kwantowy pracujący w zwykłych warunkach otoczenia. Dotychczas nie istniały też czujniki o rozdzielczości nanometrowej. Nasze wyniki mogą mieć rewolucyjny wpływ na obrazowanie w różnych zastosowaniach, od materiałoznawstwa po nauki biologiczne. To zupełnie nowa dziedzina badań", dodaje prof. Wrachtrup.

Jedną z największych zalet nowej technologii jest możliwość używania czujników kwantowych w zwykłych warunkach otoczenia. "Korzystanie z narzędzi jest znacznie tańsze i daje szersze możliwości, jeśli nie wymaga specjalnych warunków, na przykład bardzo niskich temperatur czy próżni", kontynuuje prof. Wrachtrup.

Istniejące techniki, takie jak interferometry SQUID, sprawdzają się w skali milimetrowej i mikrometrowej, ale wymagają bardzo niskich temperatur. Nowe rozwiązanie pracuje w zwykłej temperaturze otoczenia i umożliwia dokonywanie pomiarów z nanometrową precyzją.

Nie tylko UE prowadzi prace w tej dziedzinie. Prototypy koncepcyjne powstały już również w Stanach Zjednoczonych, Australii i Chinach. "Zainteresowanie ze strony przemysłu jest duże, i właśnie przemysł dokłada tu największych starań", podsumowuje prof. Wrachtrup.

Prace projektu SQUTEC zakończono w lutym 2016 r.