Армия США инвестирует в квантовые исследования для развития будущих технологий
Армия США активно финансирует передовые квантовые исследования, направленные на изучение влияния вибраций на электронное поведение в ультратонких материалах. Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде анализируют, могут ли так называемые вибронные эффекты кардинально изменить подходы к получению энергии и разработке вычислительных систем.
Ключевые направления исследований
- Исследователи, финансируемые армией США, изучают квантовые вибрации как будущие механизмы управления.
- Вибронные эффекты могут оказать значительное влияние на развитие технологий квантовой связи.
- Интерес к квантовому управлению обусловлен проблемой потерь энергии в различных материалах.
Исследование квантовых вибраций как механизма управления
В рамках Центра квантовых вибронных явлений в энергии и времени (QuVET) объединились физики, химики, инженеры и биохимики для изучения фундаментальных взаимодействий как в биологических, так и в синтетических системах. Центральная идея заключается в том, что вибрации могут стать ключевым механизмом управления квантовым поведением.
В отличие от традиционных вычислений, основанных на бинарных состояниях (0 или 1), квантовые подходы используют такие явления, как суперпозиция, когда квантовая волновая функция может существовать в нескольких состояниях одновременно. Исследователи QuVET стремятся выяснить, как именно квантовая волновая функция перемещается между интерфейсами или остаётся в исходном положении.
По словам Натаниэля Гейбора, профессора физики и астрономии, цель состоит в том, чтобы «вибрации стали своего рода регулятором, позволяющим создавать будущие ‘квантовые вибронные переключатели’, которые используют кристаллические вибрации для включения и выключения квантовых переходов».
Понимание этого процесса переключения имеет решающее значение для совершенствования таких технологий, как генерация солнечной энергии, где свет создаёт нейтральные возбуждения, которые должны разделиться на свободные заряды. Если эта энергия не извлекается достаточно быстро, она рассеивается в виде тепла или переизлучается как свет, вместо того чтобы превратиться в полезное электричество.
Вдохновение природой: фотосинтез и эффективность
Как отметил Гейбор, биологические системы выработали методы для чрезвычайно быстрого извлечения энергии. Его команда стремится воспроизвести эту эффективность в искусственных материалах. Например, в процессе фотосинтеза зарядово-нейтральное квантовое возбуждение перемещается от молекулы к молекуле, пока не достигает реакционного центра, где происходит разделение.
Та же физика, которая позволяет растениям преобразовывать солнечный свет в энергию, потенциально может стать основой для новых форм квантового контроля и вычислений в синтетических многослойных устройствах.
Стратегическое значение для обороны США
Армия США финансирует это квантовое исследование через грант Программы многодисциплинарных университетских исследований, который администрируется Исследовательским управлением Командования по развитию боевых возможностей сухопутных войск. Таня Паскова, руководитель программы в этом управлении, заявила, что понимание вибронных эффектов может оказаться ключевым для создания будущих искусственных биологических систем, разрабатываемых военными учёными.
По её словам, «это исследование отвечает на критически важные научные вопросы, которые могут стать основополагающими для понимания и контроля вибронных эффектов в искусственных биологических системах». Она добавила: «Разрабатывая дорожные карты для использования вибронных эффектов в новых квантовых фотонных и оптоэлектронных устройствах, это исследование имеет потенциал значительно расширить будущие возможности армии в области квантовых вычислений, безопасных коммуникаций и сенсорных технологий».
Препятствия и долгосрочные перспективы
Однако армия признаёт, что существуют значительные препятствия на пути к практическому военному применению этих лабораторных открытий. Большинство квантовых экспериментов требуют криогенных температур (крайне низких) и строго контролируемых условий, которые трудно воспроизвести в полевых условиях.
Финансируя фундаментальные исследования, а не требуя немедленных прототипов, армия делает долгосрочную стратегическую ставку на физику, развитие которой может занять десятилетия. Будет ли эта инвестиция способствовать настоящим прорывам в квантовых вычислениях или останется лишь интересными научными примечаниями, полностью зависит от результатов будущих экспериментов.
