Настройка квантовой фазы
Квантовые вычисления давно обещали революционизировать области от открытия лекарств до криптографии, но создание надежного квантового оборудования оказалось мучительно сложным. Один из наиболее желаемых строительных блоков — топологические сверхпроводники — оказался особенно неуловимым. Теперь команда исследователей продемонстрировала удивительно простой метод создания этих экзотических материалов, потенциально устраняя серьезное узкое место в развитии квантовых компьютеров.
Ключевое открытие заключается в обманчиво простой регулировке: изменении точного соотношения теллура к селену в ультратонких кристаллических пленках. Тщательно настраивая эту химическую композицию, исследователи смогли систематически контролировать электронные взаимодействия внутри материала, эффективно переключаясь через различные квантовые фазы, пока не достигли топологического сверхпроводящего состояния.
Результат значителен, потому что топологические сверхпроводники содержат специальный тип квантового возбуждения, называемый фермионами Майораны — частицы, которые являются собственными античастицами. Эти экзотические квазичастицы теоретически защищены от многих возмущений, которые затрудняют работу обычных квантовых битов, что делает их идеальными кандидатами для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, которые могут сохранять когерентность достаточно долго для выполнения полезных расчетов.
Почему топологические сверхпроводники имеют значение
Чтобы понять, почему это открытие важно, полезно рассмотреть центральную проблему квантовых вычислений: декогеренцию. Квантовые биты, или кубиты, кодируют информацию в квантовых состояниях, которые чрезвычайно чувствительны к окружающей среде. Даже крошечные вибрации, колебания температуры или электромагнитные помехи могут привести к потере квантовых свойств кубита, вводя ошибки, которые быстро накапливаются и делают вычисления бессмысленными.
Современные квантовые компьютеры решают эту проблему с помощью коррекции ошибок — используя множество физических кубитов для кодирования одного логического кубита, с постоянным мониторингом и исправлением ошибок. Этот подход работает, но он чрезвычайно ресурсоемкий. Сегодняшние наиболее продвинутые квантовые процессоры отводят подавляющее большинство своих кубитов на коррекцию ошибок, а не на фактические вычисления.
Топологические кубиты предлагают принципиально другой подход. Вместо кодирования информации в хрупких квантовых состояниях, которые должны постоянно исправляться, топологические кубиты хранят информацию в глобальных свойствах пар фермионов Майораны. Эти свойства по своей природе защищены от локальных помех — как узел, который нельзя развязать простым встряхиванием веревки. Эта топологическая защита может значительно снизить требуемые затраты на коррекцию ошибок, сделав практические квантовые вычисления намного более осуществимыми.
Открытие теллура и селена
Исследовательская группа работала с тонкими пленками из семейства материалов висмут-теллур, которые хорошо известны как топологические изоляторы — материалы, которые проводят электричество на своих поверхностях, но являются изоляторами в своем объеме. Выращивая эти пленки с тщательно контролируемыми составами, постепенно заменяя атомы теллура атомами селена, исследователи отобразили, как эволюционируют электронные свойства материала.
Они обнаружили, что при определенном соотношении состава взаимодействия между электронами в материале претерпевают фазовый переход. Электроны начинают спариваться способом, который производит как сверхпроводимость — способность проводить электричество с нулевым сопротивлением — так и топологический порядок, математическое свойство, которое обеспечивает защиту от декогеренции.
Решающим образом, этот переход может быть достигнут только за счет контроля композиции, без необходимости в экстремальных давлениях, экзотических подложках или других сложных для воспроизведения условиях, которые ограничивали предыдущие подходы к топологической сверхпроводимости. Пленки выращивались с использованием молекулярной эпитаксии из пучка, хорошо зарекомендовавшей себя техники, широко используемой в полупроводниковой промышленности, что свидетельствует о том, что масштабирование производства может быть относительно простым.
Предыдущие проблемы в этой области
Поиск топологических сверхпроводников был одной из наиболее интенсивных и иногда противоречивых областей физики конденсированного состояния. В 2018 году в журнале Nature была опубликована высокопрофильная статья, в которой утверждалось об обнаружении фермионов Майораны в полупроводниковых нанопроводах, однако она была отозвана после того, как другие исследователи не смогли воспроизвести результаты. Этот эпизод отбросил тень на всю область и повысил планку того, что считается убедительным доказательством.
Другие подходы включали укладку различных материалов в сложные гетероструктуры, применение высоких магнитных полей или использование материалов, которые сложно синтезировать надежно. Хотя прогресс был достигнут на нескольких фронтах, ни один подход еще не обеспечил комбинацию надежной топологической сверхпроводимости и практической производимости, необходимых для крупномасштабного изготовления квантовых устройств.
Новый подход к настройке композиции привлекателен именно благодаря своей простоте. Вместо создания сложных многослойных структур или работы в экстремальных условиях, исследователи продемонстрировали, что одна система материалов может быть плавно переведена в желаемое квантовое состояние посредством хорошо контролируемой химической переменной.
От лаборатории к квантовому компьютеру
Значительные проблемы остаются перед тем, как это открытие может быть переведено в рабочее квантовое оборудование. Топологическое сверхпроводящее состояние было наблюдено при очень низких температурах, что типично для сверхпроводящих материалов. Демонстрация фактического создания и манипуляции фермионами Майораны в этих пленках — и показ того, что они демонстрируют неабелеву статистику плетения, необходимую для топологических квантовых вычислений — потребует дальнейших экспериментов.
Тем не менее, исследование представляет значительный шаг вперед. Предоставляя настраиваемую, воспроизводимую платформу для изучения топологической сверхпроводимости, тонкие пленки теллура-селена дают экспериментаторам новый инструмент для исследования физики, лежащей в основе топологических квантовых вычислений. И совместимость с установленными методами выращивания тонких пленок означает, что материалы могут быть легко получены другими исследовательскими группами, ускоряя темп открытий.
Для индустрии квантовых вычислений — которая инвестировала миллиарды долларов в стремление к практическим, отказоустойчивым машинам — любой прогресс, который приближает топологические кубиты к реальности, достоин внимания. Эта химическая модификация может показаться скромной, но в мире квантовых материалов иногда самые простые изменения дают наиболее глубокие результаты.
Эта статья основана на информации Science Daily. Прочитайте оригинальную статью.
