Nový průlom v kvantové fyzice by mohl vést k vývoji superúčinné elektroniky
Vědci využívají kvantovou fyziku k vývoji nových metod výroby energie s cílem řešit rostoucí energetické nároky počítačového průmyslu. (Foto: Flickr / ilustrační)
Výzkumníci z MIT vyvinuli nový přístup k pozorování kvantového Hallova jevu, který napodobují pomocí superchlazených atomů sodíku, což umožňuje hlubší studium bez tření proudu elektronů.
Tento průlom v porozumění fyzice „hraničních stavů“ by mohl vést k vysoce účinným elektronickým obvodům a kvantovým počítačům, které by nabídly řešení pro ztráty energie při přenosu dat a energie.
Vědci se stále více přibližují k odhalení složitých zákonitostí kvantové fyziky, které by mohly revolučním způsobem změnit způsob výroby energie. Vzhledem k tomu, že počítačový průmysl čelí hrozbě vyčerpání energetických zdrojů v důsledku boomu umělé inteligence, vědci se snaží co nejrychleji uvést kvantové počítání do praxe jako prostředek k řešení kritických dilemat v oblasti energetické bezpečnosti a zároveň k zásadní změně počítačové technologie.
Víme, že potenciál kvantové fyziky a kvantového výpočetnictví je v energetickém sektoru obrovský, ale stále je mnoho věcí, kterým v této vědě nerozumíme. Pozorování kvantového světa je nesmírně obtížné, protože chování a reakce, které se v něm odehrávají, jsou tak malé a tak rychlé, že jsou pro člověka prakticky neviditelné.
Vědci však v překonávání této výzvy stále zlepšují. Na MIT vyvinuli výzkumníci důmyslný způsob, jak zvětšit reprodukci kvantového Hallova jevu, aby mohli účinněji pozorovat jev, který se obvykle vyskytuje v měřítku příliš malém a příliš rychlém na to, aby ho bylo možné studovat. Místo pozorování elektronů našel tým MIT způsob, jak superchladit atomy sodíku a ovládat jejich prostorové uspořádání pomocí laserů tak, aby napodobovaly jev, který je zajímá – takzvaný „okrajový stav“.
Normálně se elektrony pohybují volně ve všech směrech a při nárazu na překážku se náhodně rozptýlí v důsledku tření. V určitých podmínkách a u některých exotických materiálů se však chovají jinak, proudí společně a v jednom směru podél okraje materiálu. Tento jev je známý jako kvantový Hallův jev. Vědci z MIT nyní našli způsob, jak tento jev smysluplně studovat, aby jednoho dne mohli využít fyzikální vlastnosti „okrajového stavu“ k revoluci v oblasti výpočetní techniky s prakticky neomezenou energií.
„V tomto vzácném ‚okrajovém stavu‘ mohou elektrony proudit bez tření a bez námahy klouzat kolem překážek, protože se drží svého toku zaměřeného na obvod,“ vysvětluje článek MIT. „Na rozdíl od supravodiče, kde všechny elektrony v materiálu proudí bez odporu, proud přenášený okrajovými režimy se vyskytuje pouze na hranici materiálu.“
Tento nedostatek odporu znamená nedostatek energetických ztrát, což by mohlo mít obrovské a rušivé důsledky pro prakticky jakýkoli sektor, který využívá moderní technologie. Podle zprávy Interesting Engineering „takový bezodporový pohyb elektronů může umožnit přenos dat a energie mezi zařízeními bez jakýchkoli ztrát při přenosu, což vede k vývoji superúčinných elektronických obvodů a kvantových počítačů“.
Kvantové počítání si získává stále větší pozornost díky svému potenciálu zásadně změnit výpočetní procesy způsobem, který by mohl zvýšit účinnost a tím drasticky snížit energetické potřeby technologického sektoru. V určitých aplikacích by kvantové počítače mohly být až 100krát energeticky účinnější než současné superpočítače. To by mohlo mít obrovské důsledky pro AI a její rychle rostoucí energetickou stopu, protože kvantové počítání by mohlo být obzvláště vhodné pro zpracování AI.
Zatímco normální výpočty jsou binární, kde 1 a 0 slouží jako zapínací a vypínací spínače, kvantové výpočty fungují pomocí kubitů, které mohou být současně zapnuté i vypnuté, jako mince, která se točí ve vzduchu, než dopadne na líc nebo rub. Tento současný zapnutý a vypnutý stav se nazývá superpozice a mohl by zcela změnit základy výpočetní techniky.
Kvantové počítání a oblast kvantové fyziky obecně mají ještě před sebou dlouhou cestu, než se dostanou do jakékoli komerční sféry. Naše porozumění těmto jevům – a jejich potenciálním aplikacím v energetickém a technologickém sektoru – se však rychle rozvíjí. Nedávný průlom na MIT, který poskytuje spolehlivou a lépe pozorovatelnou náhradu za kvantové procesy, by mohl urychlit kvantové experimenty a přiblížit nás o velký krok blíže k budoucnosti s nekonečnou energií.
