Lietuvos mokslininkai atveria kelią kvantinėms technologijoms

Kvantinės technologijos vis dažniau minimos kaip kita didžioji inovacijų banga – nuo spartesnių skaičiavimų ir saugesnio duomenų perdavimo iki itin jautrių jutiklių. Nors ši sritis dar tik bręsta, prie svarbiausių jos proveržių prisideda ir Lietuva. Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) mokslininkai dr. Lukas Razinkovas ir dr. Vytautas Žalandauskas kartu su tarptautine komanda atliko tyrimą, kurio rezultatai publikuoti prestižiniame žurnale „Advanced Functional Materials“.

Šis darbas svarbus ne tik mokslo bendruomenei, bet ir Lietuvos technologijų ekosistemai. Kuo greičiau teoriniai atradimai bus paversti praktiniais sprendimais, tuo daugiau galimybių atsivers ir lietuviams – nuo pažangių prietaisų kūrimo Vilniuje ar Kaune iki ateities saugaus ryšio sprendimų verslui ir viešajam sektoriui.

Kas yra kvantiniai kristalų defektai ir kodėl jie tokie svarbūs?

Kristalai dažnai įsivaizduojami kaip idealiai tvarkingos atomų struktūros, tačiau realybėje juose visada pasitaiko netobulumų. Gali trūkti vieno atomo, gali būti įterptas kitas elementas arba sutrikdyta įprasta gardelės tvarka. Tokie atominio mastelio netobulumai vadinami defektais.

Kasdienėje kalboje „defektas“ skamba neigiamai, tačiau kietojo kūno fizikoje būtent defektai neretai suteikia medžiagai išskirtinių savybių. Kaip pabrėžia dr. Lukas Razinkovas, kai kurie iš jų yra ne trūkumas, o pranašumas – ypač kalbant apie kvantines technologijas.

Gilieji defektai: nuo elektronikos iki kvantinės optikos

Ne visi defektai veikia vienodai. Vieni jau seniai naudojami puslaidininkių savybėms valdyti ir sudaro šiuolaikinės elektronikos pagrindą. Kiti, vadinamieji gilieji defektai, gali „pagauti“ krūvininkus tarsi giliose energetinėse duobėse. Būtent ši grupė pastaraisiais metais sulaukė ypatingo dėmesio, nes kai kurie gilieji defektai pasižymi įspūdingomis optinėmis ir kvantinėmis savybėmis.

Dalies tokių defektų veikimas primena mažytes atominio dydžio lemputes: sužadinti lazeriu, jie sugeria energiją ir vėliau išspinduliuoja šviesą. Vienas toks centras gali skleisti po vieną fotoną, o tai ypač svarbu kvantinės optikos, kvantinio šifravimo ir saugaus ryšio sistemoms. Tokios technologijos ateityje gali turėti reikšmės ir Lietuvos rinkai, kur vis daugiau įmonių ieško saugesnių duomenų perdavimo sprendimų.

Kai kurie defektai elgiasi tarsi mikro mastelio kvantiniai magnetukai: jų būsenas galima valdyti lazeriu arba mikrobangomis, o po to itin tiksliai nuskaityti. Dėl to jie tampa ne tik pavienių fotonų šaltiniais, bet ir itin jautriais jutikliais, gebančiais matuoti magnetinius laukus, temperatūrą ar kitus fizikinius dydžius.

Deimantas – etalonas, bet ne visada geriausias kelias

Vienas garsiausių kvantinių defektų pavyzdžių yra deimante randamas azoto-vakansijos, arba NV, centras. Tai gerai ištirtas ir kvantinėms technologijoms labai svarbus defektas, kurio būsenas galima tiksliai valdyti. NV centrai laikomi savotišku etalonu visoje srityje, nes jie jau dabar naudojami kvantiniams jutikliams ir informacijos technologijoms.

Vis dėlto deimantas turi ir aiškių ribojimų. Itin švarų deimantą, tinkamą kvantinėms reikmėms, pagaminti brangu ir sudėtinga. Be to, jo apdorojimo ir elektroninių prietaisų gamybos grandinė nėra tokia išvystyta kaip įprastų puslaidininkių. Tai reiškia, kad mokslininkai ieško kitų medžiagų, kurios galėtų pasiūlyti panašias kvantines savybes, bet būtų patogesnės praktiniam naudojimui.

Silicio karbidas – perspektyvi alternatyva

Viena iš daugiausiai vilčių teikiančių alternatyvų yra silicio karbidas – medžiaga, sudaryta iš silicio ir anglies atomų. Ji jau plačiai naudojama galios elektronikoje, elektromobiliuose, saulės energetikoje, ryšio įrangoje ir pramoniniuose sprendimuose. Būtent todėl silicio karbidas yra ypač įdomus ir Lietuvos pramonei: tai ne tik laboratorinis kristalas, bet ir rinkoje gerai pažįstama medžiaga.

FTMC tyrėjai kartu su tarptautine komanda nagrinėjo, kaip silicio karbide veikia kvantinėms technologijoms tinkami defektai. Tokiuose tyrimuose svarbūs du keliai: eksperimentas ir teorija. Eksperimentu matoma, kaip defektai reaguoja į lazerius, magnetinius laukus ir kitus poveikius. Tačiau tik teoriniai skaičiavimai leidžia suprasti, kodėl jie elgiasi būtent taip.

Ką atskleidė FTMC mokslininkai?

Dr. Vytautas Žalandauskas pabrėžia, kad šio darbo tikslas buvo ne tik stebėti defektų elgseną, bet ir paaiškinti ją fundamentaliai. Pasitelkdami superkompiuterius ir pažangius modelius, FTMC mokslininkai sukūrė metodikas, leidžiančias itin tiksliai numatyti defektų optines savybes ir elektroninę struktūrą.

Jų darbe buvo analizuojama, kokios elektroninės būsenos susidaro aplink kvantinį defektą ir kaip jos sąveikauja su kristalo virpesiais. Būtent šie veiksniai lemia, kaip defektas sąveikauja su šviesa, kas vyksta po sužadinimo ir ar jis gali būti naudojamas kaip kvantinės informacijos vienetas.

Anot mokslininkų, iki šiol šių konkrečių defektų vidinė sandara nebuvo iki galo aiški. Dabar gauta daug tikslesnė fizikinė nuotrauka, leidžianti toliau ieškoti praktinių taikymų. Tokie rezultatai svarbūs ir Lietuvos universitetams bei technologijų įmonėms, kurios ateityje gali dirbti su pažangiais jutikliais, fotonikos sprendimais ar specializuotomis puslaidininkių sistemomis.

Kodėl teoriniai skaičiavimai yra tokie svarbūs?

Eksperimentai parodo rezultatą, tačiau ne visada leidžia suprasti jo priežastį. Kai kurie procesai vyksta taip greitai arba yra tokie sudėtingi, kad jų neįmanoma tiesiogiai išmatuoti. Tokiais atvejais teoriniai modeliai tampa būtini – jie padeda atskleisti paslėptus mechanizmus ir sumažina „aklo bandymo“ riziką.

FTMC komandos atveju teorija ir eksperimentas veikė kaip viena kitą papildančios dalys. Hipotezės buvo tikrinamos naujais matavimais, o eksperimentų rezultatai buvo dar kartą peržiūrimi skaičiavimais. Toks metodas suteikia ne tik tikslumo, bet ir pasitikėjimo, kad gautas vaizdas yra išties teisingas.

Tarptautinis bendradarbiavimas, kuriame stipriai matoma ir Lietuva

Šis tyrimas yra puikus tarptautinio mokslo bendradarbiavimo pavyzdys. Pagrindinis straipsnio autorius – dr. Ronaldas Ulbrichtas iš garsiojo Makso Planko polimerų tyrimų instituto Vokietijoje. Tai viena prestižiškiausių pasaulio mokslo organizacijų, kuri sukūrė dešimtis Nobelio premijos laureatų ugdžiusią aplinką.

Ultrasparčiosios spektroskopijos eksperimentai, naudoti šiame tyrime, leidžia stebėti, kaip defektų būsenos kinta per itin trumpus laiko tarpus. Tokia metodika yra sudėtinga, todėl ją taiko tik kelios laboratorijos pasaulyje. Būtent iš čia įdomus Lietuvos mokslininkų indėlis: nors fizinė eksperimentinė įranga buvo tarptautinės komandos rankose, teorinis FTMC darbas padėjo visą rezultatą sujungti į aiškią visumą.

Prie tyrimo prisidėjo ir specialistai iš Vengrijos, Norvegijos, Švedijos bei Japonijos, kurios mokslininkai augino pačius kristalus. Tai reiškia, kad galutinis proveržis buvo pasiektas jungiant kelių šalių kompetencijas. Lietuvos mokslo prestižui tai svarbus signalas – mūsų tyrėjai yra matomi ne tik regioniniu, bet ir pasauliniu mastu.

Praktinė nauda: ką tai gali reikšti Lietuvos rinkai?

Nors kvantinės technologijos dar nėra masinės vartotojų rinkos dalis, jų pritaikymas jau dabar tampa strategiškai svarbus. Lietuvoje sparčiai auga dėmesys kibernetiniam saugumui, pažangiai gamybai, gynybos technologijoms, fotonikai ir jutiklių sprendimams. Būtent šiose srityse kvantiniai defektai gali tapti kertiniu elementu.

Galimi pritaikymai apima:

• itin jautrius magnetinio lauko ir temperatūros jutiklius;
• pavienių fotonų šaltinius saugiam ryšiui;
• kvantinės informacijos komponentus;
• naujos kartos puslaidininkinius sprendimus;
• diagnostikos ir metrologijos įrangą mokslui bei pramonei.

Verslui Lietuvoje tai gali reikšti daugiau galimybių bendradarbiauti su mokslininkais, kurti aukštos pridėtinės vertės produktus ir dalyvauti tarptautinėse tiekimo grandinėse. O vartotojams ilgainiui tai gali atnešti saugesnį skaitmeninį ryšį ir tikslesnius įrenginius kasdienėms bei profesinėms reikmėms.

Ar kvantinės technologijos pasieks lietuvius artimiausiu metu?

Masinis kvantinių kompiuterių naudojimas dar nėra rytojaus realybė, tačiau atskiri komponentai ir technologiniai sprendimai rinką pasiekia daug greičiau. Lietuvoje jau matomas augantis susidomėjimas giliųjų technologijų sektoriais, o tokių tyrimų rezultatai padeda kurti pagrindą ateities inovacijoms. Vilniuje ir Kaune veikiantys mokslo centrai, universitetai bei startuoliai gali būti svarbūs šios ekosistemos dalyviai.

FTMC tyrimas rodo, kad Lietuva prisideda ne tik prie teorinių žinių, bet ir prie labai praktiško klausimo: kokias medžiagas ir defektus verta rinktis, kad kvantinės technologijos taptų patikimos, pigesnės ir lengviau pritaikomos realiame pasaulyje.

Vienas žingsnis arčiau kvantinės ateities

Šis darbas parodė, kad net mikroskopiniai kristalų netobulumai gali tapti technologine stiprybe. FTMC mokslininkų indėlis į šį tyrimą dar kartą įrodo, kad Lietuvos mokslas gali būti matomas aukščiausio lygio tarptautiniuose projektuose ir prisidėti prie globalių kvantinių technologijų sprendimų.

Dar svarbiau, kad tokie tyrimai turi aiškią praktinę kryptį: nuo medžiagų mokslo ir teorinės spektroskopijos iki galimų produktų, kuriuos ateityje galbūt kurs ir Lietuvos įmonės. Kvantinė revoliucija neįvyksta per vieną dieną, tačiau kiekvienas toks atradimas priartina ją prie rinkos – ir prie Lietuvos technologijų sektoriaus.