Dostrajanie fazy kwantowej
Komputery kwantowe obiecywały od dawna zrewolucjonizowanie dziedzin od odkrywania leków po kryptografię, ale budowanie niezawodnego sprzętu kwantowego okazało się beznadziejnie trudne. Jeden z najbardziej pożądanych elementów budulca — topologiczne nadprzewodniki — był szczególnie trudny do uchwycenia. Teraz zespół naukowców zademonstrował zaskakująco prostą metodę tworzenia tych egzotycznych materiałów, potencjalnie usuwając poważne wąskie gardło w rozwoju komputera kwantowego.
Kluczowy wgląd polega na zwodniczo prostym dostosowaniu: zmiana precyzyjnego stosunku telluru do selenu w ultra-cienkich filmach krystalicznych. Poprzez ostrożne dostrojenie tego składu chemicznego, naukowcy byli w stanie systematycznie kontrolować interakcje elektronowe w materiale, skutecznie przesuwając się przez różne fazy kwantowe, aż do osiągnięcia topologicznego stanu nadprzewodzącego.
Wynik jest istotny, ponieważ topologiczne nadprzewodniki zawierają specjalny typ wzbudzenia kwantowego zwany fermionami Majorany — cząstkami, które są swoimi antycząstkami. Te egzotyczne quasicząstki są teoretycznie odporne na wiele perturbacji, które nękają konwencjonalne bity kwantowe, co czyni je idealnymi kandydatami do budowania tolerancyjnych na błędy komputerów kwantowych, które mogą utrzymać spójność wystarczająco długo, aby wykonać użyteczne obliczenia.
Dlaczego topologiczne nadprzewodniki są ważne
Aby zrozumieć, dlaczego to odkrycie jest ważne, warto rozważyć główne wyzwanie komputerów kwantowych: dekoherencję. Bity kwantowe, czyli qubity, kodują informacje w stanach kwantowych, które są niezwykle wrażliwe na swoje otoczenie. Nawet drobne wibracje, fluktuacje temperatury lub szum elektromagnetyczny mogą spowodować, że qubit straci swoje właściwości kwantowe, wprowadzając błędy, które szybko się kumulują i sprawiają, że obliczenia są bezużyteczne.
Obecne komputery kwantowe rozwiązują ten problem poprzez korekcję błędów — używając wielu fizycznych kubitów do kodowania pojedynczego logicznego qubitu, ze stałym monitorowaniem i korektą błędów. Takie podejście działa, ale jest niezwykle zasobochłonne. Dzisiejsze najbardziej zaawansowane procesory kwantowe poświęcają zdecydowaną większość swoich kubitów korekcji błędów, a nie rzeczywistym obliczeniom.
Topologiczne qubity oferują zasadniczo inne podejście. Zamiast kodowania informacji w kruchych stanach kwantowych, które muszą być stale korygowane, topologiczne qubity przechowują informacje we właściwościach globalnych par fermionów Majorany. Te właściwości są z natury chronione przed lokalnymi zakłóceniami — jak węzeł, którego nie można rozwiązać, po prostu potrząsając liną. Ta topologiczna ochrona mogłaby drastycznie zmniejszyć narzut wymagany do korekcji błędów, czyniąc praktyczne obliczenia kwantowe znacznie bardziej wykonalne.
Odkrycie telluru-selenu
Zespół badawczy pracował z cienkimi filmami z rodziny materiałów tellurku bizmutu, które są dobrze znane jako topologiczne izolatory — materiały, które przewodzą prąd na swoich powierzchniach, ale są izolacyjne w swojej masie. Poprzez wzrost tych filmów z starannie kontrolowanymi składami, stopniowo zastępując atomy selenu atomami telluru, naukowcy zmapowali ewolucję właściwości elektronowych materiału.
To, co odkryli, to że przy określonym stosunku składu, interakcje między elektronami w materiale przechodzą przejście fazowe. Elektrony zaczynają się łączyć w sposób, który produkuje zarówno nadprzewodnictwo — zdolność do przewodzenia elektryczności bez oporu — i topologiczny porządek, matematyczną właściwość, która zapewnia ochronę przed dekoherencją.
Co ważne, to przejście mogłoby być osiągnięte poprzez samą kontrolę składu, bez potrzeby ekstremalnych ciśnień, egzotycznych podłoży lub innych trudnych do odtworzenia warunków, które ograniczały wcześniejsze podejścia do topologicznego nadprzewodnictwa. Filmy były wzrastane przy użyciu epitaksji wiązki molekularnej, dobrze ugruntowanej techniki szeroko stosowanej w przemyśle półprzewodników, sugerując, że skalowanie produkcji mogłoby być względnie proste.
Poprzednie wyzwania w tej dziedzinie
Poszukiwania topologicznych nadprzewodników były jednym z najbardziej intensywnych i czasami kontrowersyjnych obszarów fizyki materii kondensowanej. W 2018 roku artykuł o dużym znaczeniu w Nature twierdzący, że zaobserwował fermiony Majorany w nanodrutach półprzewodnikowych, został wycofany, ponieważ inni naukowcy nie mogli odtworzyć wyników. Ten epizod rzucił cień na całą dziedzinę i podniósł poprzeczkę dla tego, co stanowi przekonujące dowody.
Inne podejścia obejmowały układanie różnych materiałów w złożone heterostruktury, stosowanie silnych pól magnetycznych lub używanie materiałów, które są trudne do niezawodnego syntetyzowania. Chociaż postęp został osiągnięty na wielu frontach, żadne podejście nie dostarczyło jeszcze kombinacji niezawodnego topologicznego nadprzewodnictwa i praktycznej wytwarzalności potrzebnej do produkcji urządzeń kwantowych na dużą skalę.
Nowe podejście dostrajające skład jest atrakcyjne właśnie ze względu na jego prostotę. Zamiast inżynierii złożonych struktur wielowarstwowych lub pracy w warunkach ekstremalnych, naukowcy zademonstrowali, że pojedynczy system materiałów może być płynnie dostrojony do pożądanego stanu kwantowego poprzez dobrze kontrolowaną zmienną chemiczną.
Od laboratorium do komputera kwantowego
Znaczące wyzwania pozostają przed tym, zanim to odkrycie będzie mogło być przetłumaczone na pracujący sprzęt kwantowy. Topologiczny stan nadprzewodzący był obserwowany w bardzo niskich temperaturach, co jest typowe dla materiałów nadprzewodzących. Zademonstrowanie rzeczywistego tworzenia i manipulacji fermionami Majorany w tych filmach — i pokazanie, że wykazują one statystykę plecionki nie-abelowej wymaganą do topologicznego komputera kwantowego — będzie wymagać dalszych eksperymentów.
Niemniej jednak, badania stanowią znaczący krok naprzód. Poprzez dostarczenie dostrajającej, powtarzalnej platformy do badania topologicznego nadprzewodnictwa, cienikie filmy telluru-selenu dają eksperymentatorom nowe narzędzie do badania fizyki, która leży u podstaw topologicznego komputera kwantowego. A zgodność z ustanowionymi technikami wzrostu cienkich filmów oznacza, że materiały mogą być łatwo produkowane przez inne grupy badawcze, przyspieszając tempo odkryć.
Dla przemysłu komputerów kwantowych — który zainwestował miliardy dolarów w dążeniu do praktycznych, tolerancyjnych na błędy maszyn — każdy postęp, który zbliża topologiczne qubity do rzeczywistości, jest wart uwagi. To chemiczne dostosowanie może wydawać się skromne, ale w świecie materiałów kwantowych, czasami najprostsze zmiany dają najbardziej głębokie rezultaty.
Ten artykuł opiera się na raporcie Science Daily. Przeczytaj oryginalny artykuł.
