A kutatók létrehozták a fény szuperszilárd formáját, amely kvantumszinten egyesíti a folyadékok és a szilárd anyagok tulajdonságait, ami lenyűgöző áttörés a kvantumkutatásban, írja a Horizon, az EU kutatási és innovációs magazinja. Ez a felfedezés teljesen új lehetőségek előtt nyitja meg a kapukat a kvantumszámítástechnikában és az anyagtudományban.
Egy nemrégiben a Nature-ben megjelent tanulmányban egy uniós támogatással dolgozó kutatócsoportnak sikerült szuperszilárd fényt létrehoznia – egy olyan különös, hibrid anyagállapotot, amely egyesíti a szilárd testek szerkezetét a szuperfolyékony anyagok súrlódásmentes áramlási képességével.
Szuperfolyékony, szuperszilárd
Az olasz, osztrák és amerikai vezető kutatóintézetek szakértelmét egyesítve a Lecce-ben működő Nanotechnológiai Intézet (CNR NANOTEC) koordinálásával a Q-ONE nevű, négyéves, uniós támogatású kutatási kezdeményezés keretében sikerült olyan fény- és anyagállapotot létrehozni, amely egyszerre kristályszerű szilárd anyag, de ugyanakkor folyékony módon áramlik is.
Ezt a felfedezést egy exciton-polariton néven ismert hibrid részecske hasznosításával érték el, amely egyesíti a fény (foton) és a kvázi részecskének nevezett exciton tulajdonságait. (Exciton akkor keletkezik, amikor egy foton (fényrészecske) elnyelődik egy anyagban, és ennek hatására egy elektron átkerül a vegyértéksávból a vezetési sávba, maga mögött hagyva egy lyukat.) Az új hibrid részecske segítségével a kutatók új tudományos határokat feszegetnek.
A legtöbben jól ismerjük az anyag szabályos állapotait – a szilárd, a folyékony és a gázhalmazállapotokat. Léteznek azonban más, egzotikus állapotok is, amelyeket megfelelő körülmények között létre lehet hozni, mint például a szuperfolyadékokat, amik olyan folyadékok, amelyek ellenállás nélkül áramlanak. A szuperszilárd anyagok egy másik egzotikus állapotnak felelnek meg. Ha egy szuperfolyadék kristályszerűen rendezett szerkezetet kap a térben, akkor szuperszilárdnak nevezzük. Úgy néz ki, mint egy szilárd anyag, ugyanakkor elvileg súrlódás nélkül képes mozogni.
Nyolc évvel ezelőtt a leccei kutatók bemutatták, hogy a fény folyadékként tud áramlani egy félvezető belsejében. Most ezt a kutatást vitték tovább azzal, hogy szokatlan fény-anyag részecskékből álló rendezett struktúrát hoztak létre. Ezek akkor jönnek létre, amikor a fotonok – a fény részecskéi – erős kölcsönhatásba lépnek a félvezetőben lévő elektronikus gerjesztésekkel, s létrehozzák az exciton-polariton nevű hibrid részecskéket.
Szuperszilárd anyagokat, amelyek egyszerre viselkednek szilárd és szuperfolyékony anyagként eddig csak ultrahideg atomi gázok esetében figyelték meg. Most első ízben sikerült bebizonyítani, hogy a szuperszilárd anyagok szilárd környezetben is kialakulhatnak, amelyhez nincs szükség ultrahideg hőmérsékletre.
A cél a még jobb mesterséges intelligencia
Mivel ezek a fény és az anyag tulajdonságait ötvözik, új lehetőségeket nyitnak meg a fény olyan módon történő manipulálására, amelyre korábban nem volt lehetőség. Most a kutatók az elméletről az alkalmazásra helyezik át a hangsúlyt, és azt vizsgálják, hogy ez a felfedezés hogyan kövezheti ki az utat a kvantumszámítástechnika és a fotonikai technológiák, köztük a mesterséges intelligenciát működtető optikai neurális hálózatok fejlődéséhez.
Ez az áttörés lehetővé teszi például a valós alkalmazások vizsgálatát anélkül, hogy bonyolult és ultrahideg laboratóriumi körülményekre lenne szükség. Például teljesen új fizikai jelenségeket lehet majd vizsgálni egy félvezető chipben. Ez potenciálisan új technológiák előtt nyitja meg az utat a számítástechnikában, az érzékelésben és más területeken.
A Q-ONE kutatói az anyag különböző kvantumállapotait kívánják létrehozni és azonosítani polariton kvantum neurális hálózatok segítségével. Ezen belül olyan mesterséges neurális hálózatot építenek, amely nemcsak azonosítani, hanem végül létrehozni is képes a fény kvantumállapotait.
A Varsói Egyetemen egy négyéves, PolArt nevű uniós támogatással indult kutatási projektet koordinálnak, mely – együttműködve a Q-ONE kutatóival – hasonló, a kvantumállapotok és a mesterséges intelligencia metszéspontjában álló célokat tűzött maga elé.
Gyorsabb feldolgozási sebesség
Amikor az emberi agy, valamint idegrendszer szerkezetét és működését utánzó számítógépes hálózatok építését tervezik, az exciton-polariton részecskéket perovszkit nevű, speciális szerkezetű kristályokból álló anyagcsalád segítségével chipekre integrálják. Az ideghálózatokat másoló hagyományos számítógépes chipekhez képest a polaritonalapú megközelítés lényegesen kevesebb energiát fogyaszt és gyorsabb feldolgozási sebességet kínál. Így egyetlen művelethez mindössze néhány foton kell.
Fokozatosan egyre nagyobb hálózatokat építenek, amelyekkel egyre kifinomultabb kihívásokat oldanak meg. Ez a megközelítés gyorsabb és hatékonyabb nagy nyelvi modelleket működtethet, amelyek egyre inkább beépülnek mindennapi életünkbe.
