Efter decennier av miniatyrisering, de elektroniska komponenterna vi har förlitat oss på för datorer och modern teknik börjar nu nå grundläggande gränser. Inför denna utmaning, ingenjörer och forskare runt om i världen vänder sig mot ett radikalt nytt paradigm:kvantinformationsteknik.

Kvantteknik, som utnyttjar de konstiga reglerna som styr partiklar på atomnivå, anses vanligtvis vara för känslig för att samexistera med den elektronik vi använder varje dag i telefoner, bärbara datorer och bilar. Dock, forskare vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering tillkännagav ett betydande genombrott:kvanttillstånd kan integreras och kontrolleras i vanliga elektroniska enheter gjorda av kiselkarbid.

"Förmågan att skapa och kontrollera högpresterande kvantbitar i kommersiell elektronik var en överraskning, " sa huvudutredaren David Awschalom, Liew familjeprofessor i molekylär teknik vid UChicago och en pionjär inom kvantteknologi. "Dessa upptäckter har förändrat vårt sätt att tänka på att utveckla kvantteknologier - kanske kan vi hitta ett sätt att använda dagens elektronik för att bygga kvantenheter."

I två tidningar publicerade i Vetenskap och Vetenskapliga framsteg , Awschaloms grupp visade att de elektriskt kunde styra kvanttillstånd inbäddade i kiselkarbid. Genombrottet kan erbjuda ett sätt att enklare designa och bygga kvantelektronik - i motsats till att använda exotiska material som forskare vanligtvis behöver använda för kvantexperiment, såsom superledande metaller, leviterade atomer eller diamanter.

Dessa kvanttillstånd i kiselkarbid har den extra fördelen att de avger enstaka ljuspartiklar med en våglängd nära telekommunikationsbandet. "Detta gör dem väl lämpade för långdistansöverföring genom samma fiberoptiska nätverk som redan transporterar 90 procent av all internationell data över hela världen, "sa Awschalom, senior forskare vid Argonne National Laboratory och chef för Chicago Quantum Exchange.

Dessutom, dessa ljuspartiklar kan få spännande nya egenskaper i kombination med befintlig elektronik. Till exempel, i Science Advances paper, laget kunde skapa vad Awschalom kallade en "kvant FM -radio;" på samma sätt som musik sänds till din bilradio, kvantinformation kan skickas över extremt långa avstånd.

"All teori antyder att för att uppnå god kvantkontroll i ett material, den ska vara ren och fri från fluktuerande fält, sa doktoranden Kevin Miao, första författaren på tidningen. "Våra resultat tyder på att med rätt design, en enhet kan inte bara lindra dessa föroreningar, men också skapa ytterligare former av kontroll som tidigare inte var möjliga."

I Science paper, de beskriver ett andra genombrott som tar itu med ett mycket vanligt problem inom kvantteknik:brus.

"Föroreningar är vanliga i alla halvledarenheter, och på kvantnivå, dessa föroreningar kan förvränga kvantinformationen genom att skapa en bullrig elektrisk miljö, " sa doktoranden Chris Anderson, en förste författare på tidningen. "Detta är ett nästan universellt problem för kvantteknik."

Men, genom att använda en av de grundläggande elementen i elektroniken - dioden, en envägsomkopplare för elektroner—teamet upptäckte ett annat oväntat resultat:kvantsignalen blev plötsligt fri från brus och var nästan perfekt stabil.

"I våra experiment måste vi använda laser, som tyvärr stör elektronerna runt. Det är som ett spel med musikaliska stolar med elektroner; när ljuset slocknar stannar allt, men i en annan konfiguration, " sa doktoranden Alexandre Bourassa, den andra medförfattaren på tidningen. "Problemet är att den här slumpmässiga konfigurationen av elektroner påverkar vårt kvanttillstånd. Men vi fann att om man applicerar elektriska fält tar man bort elektronerna från systemet och gör det mycket mer stabilt."

Genom att integrera kvantmekanikens märkliga fysik med välutvecklad klassisk halvledarteknologi, Awschalom och hans grupp banar väg för den kommande kvantteknologirevolutionen.

"Detta arbete tar oss ett steg närmare förverkligandet av system som kan lagra och distribuera kvantinformation över världens fiberoptiska nätverk, "Awschalom sa." Sådana kvantnätverk skulle åstadkomma en ny klass av teknik som möjliggör skapandet av ohackbara kommunikationskanaler, teleportering av enstaka elektrontillstånd och förverkligandet av ett kvantinternet. "