Memutar Pendail Fasa Kuantum
Pengkomputeran kuantum telah lama berjanji untuk merevolusikan bidang dari penemuan ubat hingga kriptografi, tetapi membina perkakasan kuantum yang boleh dipercayai terbukti sangat sukar. Salah satu blok binaan yang paling diingini — superkonduktor topologi — telah menjadi sangat sukar diperolehi. Kini, satu pasukan penyelidik telah menunjukkan kaedah yang mengejutkan mudahnya untuk mencipta bahan-bahan eksotik ini, berpotensi menghapuskan halangan utama dalam pembangunan komputer kuantum.
Pandangan utama melibatkan pelarasan yang kelihatan mudah secara menipu: mengubah nisbah tepat tellurium kepada selenium dalam filem kristal ultra-nipis. Dengan menala komposisi kimia ini dengan teliti, para penyelidik dapat mengawal interaksi elektronik dalam bahan tersebut secara sistematik, dengan berkesan mendail melalui fasa kuantum yang berbeza sehingga mereka mencapai keadaan superkonduktor topologi.
Hasilnya adalah penting kerana superkonduktor topologi mengehoskan jenis perangsangan kuantum khas yang dipanggil fermion Majorana — zarah yang merupakan antipartikel mereka sendiri. Kuasipartikel eksotik ini secara teori kebal terhadap banyak gangguan yang menghantui bit kuantum konvensional, menjadikannya calon ideal untuk membina komputer kuantum tahan ralat yang dapat mengekalkan koheren cukup lama untuk melaksanakan pengiraan yang berguna.
Mengapa Superkonduktor Topologi Penting
Untuk memahami mengapa penemuan ini penting, adalah berguna untuk mempertimbangkan cabaran utama pengkomputeran kuantum: dekoherensi. Bit kuantum, atau qubit, mengekod maklumat dalam keadaan kuantum yang sangat sensitif terhadap persekitaran mereka. Malah getaran kecil, turun naik suhu, atau hingar elektromagnetik boleh menyebabkan qubit kehilangan sifat kuantumnya, memperkenalkan ralat yang terkumpul dengan cepat dan menjadikan pengiraan tidak bermakna.
Komputer kuantum semasa menangani masalah ini melalui pembetulan ralat — menggunakan banyak qubit fizikal untuk mengekod satu qubit logik tunggal, dengan pemantauan dan pembetulan ralat yang berterusan. Pendekatan ini berfungsi, tetapi ia sangat memerlukan sumber. Pemproses kuantum paling canggih hari ini mendedikasikan sebahagian besar qubit mereka untuk pembetulan ralat daripada pengiraan sebenar.
Qubit topologi menawarkan pendekatan yang berbeza secara asas. Daripada mengekod maklumat dalam keadaan kuantum yang rapuh yang mesti sentiasa diperbetulkan, qubit topologi menyimpan maklumat dalam sifat global pasangan fermion Majorana. Sifat-sifat ini dilindungi secara semula jadi terhadap gangguan tempatan — seperti simpulan yang tidak dapat diuraikan hanya dengan menggoyangkan tali. Perlindungan topologi ini berpotensi mengurangkan overhead yang diperlukan untuk pembetulan ralat secara dramatik, menjadikan pengkomputeran kuantum yang praktikal jauh lebih boleh dilaksanakan.
Penemuan Tellurium-Selenium
Pasukan penyelidik bekerja dengan filem nipis dari keluarga bahan bismut-telurida, yang merupakan penebat topologi yang terkenal — bahan yang mengalirkan elektrik pada permukaannya tetapi merupakan penebat dalam jumlahnya. Dengan menumbuhkan filem-filem ini dengan komposisi yang dikawal dengan teliti, secara beransur-ansur menggantikan atom tellurium dengan atom selenium, para penyelidik memetakan bagaimana sifat elektronik bahan tersebut berkembang.
Apa yang mereka temui ialah pada nisbah komposisi tertentu, interaksi antara elektron dalam bahan tersebut mengalami peralihan fasa. Elektron mula berpasangan dengan cara yang menghasilkan kedua-dua kekonduksian super — keupayaan untuk mengalirkan elektrik dengan rintangan sifar — dan tertib topologi, sifat matematik yang memberikan perlindungan terhadap dekoherensi.
Pentingnya, peralihan ini boleh dicapai melalui kawalan komposisi sahaja, tanpa memerlukan tekanan melampau, substrat eksotik, atau keadaan lain yang sukar untuk direplikasi yang telah mengehadkan pendekatan sebelumnya kepada kekonduksian super topologi. Filem-filem tersebut ditumbuhkan menggunakan epitaksi alur molekul, teknik yang sudah mantap yang digunakan secara meluas dalam industri semikonduktor, mencadangkan bahawa peningkatan pengeluaran boleh menjadi agak mudah.
Cabaran Terdahulu dalam Bidang Ini
Pencarian superkonduktor topologi telah menjadi salah satu bidang paling sengit dan kadang-kadang kontroversi dalam fizik jirim terkondensasi. Pada 2018, sebuah makalah berprofil tinggi dalam Nature yang mendakwa telah memerhatikan fermion Majorana dalam wayar nano semikonduktor ditarik balik selepas penyelidik lain tidak dapat menghasilkan semula keputusan tersebut. Episod itu telah menghantui seluruh bidang dan meningkatkan standard untuk apa yang merupakan bukti yang meyakinkan.
Pendekatan lain melibatkan penumpukan bahan yang berbeza dalam heterostruktur yang kompleks, menggunakan medan magnet tinggi, atau menggunakan bahan yang sukar untuk disintesis dengan boleh dipercayai. Walaupun kemajuan telah dicapai dalam pelbagai bidang, tiada pendekatan yang telah memberikan gabungan kekonduksian super topologi yang kukuh dan kebolehan pembuatan yang praktikal yang diperlukan untuk fabrikasi peranti kuantum berskala besar.
Pendekatan penalaan komposisi baharu ini menarik justeru kerana kesederhanaannya. Daripada merekayasa struktur berbilang lapisan yang kompleks atau bekerja dalam keadaan yang melampau, para penyelidik menunjukkan bahawa satu sistem bahan tunggal boleh ditala dengan lancar ke dalam keadaan kuantum yang dikehendaki melalui pemboleh ubah kimia yang dikawal dengan baik.
Dari Makmal ke Komputer Kuantum
Cabaran yang ketara masih ada sebelum penemuan ini dapat diterjemahkan ke dalam perkakasan kuantum yang berfungsi. Keadaan superkonduktor topologi diperhatikan pada suhu yang sangat rendah, seperti yang biasa untuk bahan superkonduktor. Menunjukkan penciptaan dan manipulasi sebenar fermion Majorana dalam filem-filem ini — dan membuktikan bahawa mereka mempamerkan statistik jalinan bukan-Abelian yang diperlukan untuk pengkomputeran kuantum topologi — akan memerlukan eksperimen lanjut.
Namun begitu, penyelidikan ini mewakili langkah maju yang bermakna. Dengan menyediakan platform yang boleh ditala dan boleh direplikasi untuk mengkaji kekonduksian super topologi, filem nipis tellurium-selenium memberikan para eksperimentalis alat baharu untuk menyelidiki fizik yang mendasari pengkomputeran kuantum topologi. Dan keserasian dengan teknik pertumbuhan filem nipis yang sudah mantap bermakna bahawa bahan-bahan tersebut boleh dihasilkan dengan mudah oleh kumpulan penyelidik lain, mempercepatkan kadar penemuan.
Bagi industri pengkomputeran kuantum — yang telah melabur berbilion dolar dalam usaha mendapatkan mesin yang praktikal dan tahan ralat — sebarang kemajuan yang membawa qubit topologi lebih dekat ke realiti adalah patut diberi perhatian. Pelarasan kimia ini mungkin kelihatan sederhana, tetapi dalam dunia bahan kuantum, kadang-kadang perubahan yang paling mudah menghasilkan keputusan yang paling mendalam.
Artikel ini berdasarkan laporan oleh Science Daily. Baca artikel asal.
