فناوری کوانتومی نویدهای زیادی برای تبدیل زمینه هایی مانند محاسبات، ارتباطات و سنجش با استفاده از پدیده هایی مانند برهم نهی و درهم تنیدگی دارد. با این حال، این فناوریهای پیشرفته در انتقال از نمونههای اولیه آزمایشگاهی به سیستمهای عملی و واقعی با چالشهای مهمی روبرو هستند. یکی از بزرگترین موانع این است که دستگاههای کوانتومی به شدت به تداخل محیطی حساس هستند، که اغلب توسط موادی که در ساخت آنها استفاده میشوند، مانند فلزات، تشدید میشوند.
دستگاه های کوانتومی پیشرفته با سرامیک های چاپ سه بعدی
تیمی از محققان به رهبری مارک کریست از موسسه فردیناند-براون، راه حلی را برای پایدارتر و کاربردی تر کردن دستگاه های کوانتومی با جایگزینی محفظه های فلزی سنتی با سرامیک های چاپ سه بعدی پیشنهاد کرده اند. تحقیقات مسیح ویژگی های منحصر به فرد سرامیک ها مانند عایق الکتریکی، سازگاری با خلاء و پایداری حرارتی را برجسته می کند که آنها را برای دستگاه های کوانتومی ایده آل می کند. سرامیک ها چگالی کم و انبساط حرارتی مطلوب را ارائه می دهند و اختلالاتی را که می توانند عملکرد دستگاه را به خطر بیندازند کاهش می دهند.
کریست میگوید: «این ویژگیها به سرامیکها اجازه میدهد تا اختلالاتی را که به راحتی میتوانند عملکرد دستگاه کوانتومی را مختل کنند، به حداقل برسانند». این تغییر پتانسیل این را دارد که دستگاههای کوانتومی فشردهتر، قویتر و مناسبتر برای کاربردهای دنیای واقعی باشند.
غلبه بر چالش های تولید سنتی سرامیک
در حالی که سرامیک ها مزایای آشکاری برای دستگاه های کوانتومی دارند، استفاده از آنها توسط روش های ساخت سنتی محدود شده است. تولید قطعات پیچیده و در مقیاس کوچک برای دستگاههای کوانتومی اغلب مستلزم پردازش پرهزینه با ابزارهای مبتنی بر الماس است که زمانبر و گران است. علاوه بر این، تولید سنتی سرامیک با ایجاد اشکال پیچیده مورد نیاز برای دستگاه های کوانتومی، به ویژه برای سیستم هایی که نور را برای کنترل حالت های کوانتومی دستکاری می کنند، مبارزه می کند.
برای غلبه بر این محدودیت ها، تیم مسیح استفاده از چاپ سه بعدی را بررسی کردند. کریست توضیح داد: “در تحقیقات خود، ما اولین کسی هستیم که از سرامیک های پرینت سه بعدی در دستگاه های کوانتومی استفاده می کنیم.” توانایی پرینت سه بعدی اجزای سرامیکی امکان تولید قطعات دقیق و کاربردی را بسیار سریعتر و با هزینه کمتر نسبت به روش های معمولی فراهم می کند.
پیشرفت در سنجش کوانتومی با دستگاه های کوچک شده
در مطالعهای که اخیراً در Advanced Quantum Technologies منتشر شده است، تیم مسیح از چاپ سه بعدی برای ایجاد یک دستگاه کوچک استفاده شده در سنجش کوانتومی استفاده کرد. این دستگاه دقیقاً فرکانس لیزر را برای مطابقت با انتقال بین دو حالت کوانتومی در یک اتم تراز میکند که عملکردی حیاتی برای بسیاری از حسگرهای کوانتومی است. به طور سنتی، این سنسورها می توانند به اندازه یک اجاق مایکروویو بزرگ باشند، اما نسخه سرامیکی چاپ سه بعدی اندازه آن را به چیزی در مقایسه با چند پنی کاهش داد و وزن آن تنها 15 گرم بود.
کریست خاطرنشان کرد: «آنچه مهم است این است که اگرچه سیستم بسیار کوچکتر است، اما هنوز هم بسیار خوب کار می کند. تراز نوری در دستگاه، حتی زمانی که در معرض تنش مکانیکی یا گرما قرار میگیرد، پایدار میماند – یک ویژگی ضروری برای بسیاری از کاربردهای کوانتومی.
چاپگر سه بعدی این تیم، قطعات سرامیکی را لایه به لایه میسازد و برای دقت فوقالعاده به وضوح ۴۰ میکرون (کوچکتر از موی انسان) میرسد. پس از چاپ، اجزای سرامیکی در کورههای با دمای بالا پخته میشوند و به آنها استحکام و دوام سرامیکهای سنتی تولید میشود.
آماده برای ادغام در دنیای واقعی
یکی از امیدوارکنندهترین جنبههای این تحقیق این است که فناوری سرامیک چاپ سهبعدی برای استقرار در سیستمهای دنیای واقعی آماده است. کریست گفت: «مرجع فرکانس نوری ما برای استفاده در سیستمهای دنیای واقعی آماده است. این اجزای کوچک را می توان در دستگاه های بزرگ تری که به منابع لیزری تثبیت شده نیاز دارند، مانند موج سنج های نوری، حسگرهای کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی ادغام کرد. ماهیت سفارشیسازی سرامیکهای پرینت سهبعدی همچنین امکان تطبیق سریع با اجزای مختلف را فراهم میکند و امکانات را در برنامههای مختلف باز میکند.
تیم مسیح همچنین روی چندین پروژه دیگر کار میکند، از جمله مغناطیسسنجهای اتمی فشرده برای اندازهگیری میدانهای مغناطیسی و کوچکسازی تلههای نوری برای اتمهای سرد، که میتوانند برای سنجش کوانتومی یا به عنوان کیوبیت در رایانههای کوانتومی استفاده شوند.
آینده ای برای دستگاه های کوانتومی کوچک و قوی
ادغام سرامیک های پرینت سه بعدی در فناوری کوانتومی گام مهمی در نزدیک کردن دستگاه های کوانتومی به کاربردهای روزمره است. با ساختن سیستمهای کوانتومی قابل حملتر، بادوامتر و مقرونبهصرفهتر، این تحقیق میتواند راه را برای پیشرفتهایی در محاسبات کوانتومی، سنجش و ارتباطات هموار کند. با در دسترس تر شدن این فناوری ها، امکانات برای نوآوری در صنایع مختلف بی حد و حصر است.
منبع: https://3dprinting.com/news/3d-printed-ceramics-bring-quantum-technology-closer-to-real-world-applications/