การหมุนหมวดเฟสควอนตัม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมสัญญาว่าจะปฏิวัติสาขาต่างๆ ตั้งแต่การค้นหายาไปจนถึงการเข้ารหัสลับ แต่การสร้างฮาร์ดแวร์ควอนตัมที่เชื่อถือได้กลับพิสูจน์ว่ายากแย่นมาก ตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิซึ่งเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่ต้องการมากที่สุด ยังคงหลีกเลี่ยงได้ยาก แต่ตอนนี้ทีมนักวิจัยได้แสดงให้เห็นวิธีการที่เรียบง่ายและน่าประหลาดใจในการสร้างวัสดุที่แปลกใหม่เหล่านี้ ซึ่งอาจลบคอขวดที่สำคัญในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมออกไป
ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวข้องกับการปรับปรุงที่เรียบง่ายแต่เปลี่ยนแปลงได้: การเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนของเทลลูเรียมต่อซีลีเนียมอย่างแม่นยำในฟิล์มผลึกบางมาก โดยการปรับองค์ประกอบทางเคมีนี้อย่างระมัดระวัง นักวิจัยสามารถควบคุมปฏิสัมพันธ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในวัสดุได้อย่างเป็นระบบ โดยหมุนผ่านเฟสควอนตัมต่างๆ จนกว่าจะถึงสถานะตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิ
ผลลัพธ์นี้มีความสำคัญเพราะตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิเป็นที่อยู่ของการกระตุ้นควอนตัมชนิดพิเศษที่เรียกว่าเฟอร์มิออนมาโยรานา ซึ่งเป็นอนุภาคที่เป็นแอนติอนุภาคของตัวเอง อนุภาคควาสิอนุภาคแปลกใหม่เหล่านี้ป้องกันได้จากความรบกวนหลายอย่างที่ทำให้บิตควอนตัมทั่วไปตกยาก ทำให้พวกมันเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาดซึ่งสามารถรักษาความเข้มข้นได้นานพอที่จะดำเนินการคำนวณที่มีประโยชน์
เหตุใดตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิจึงสำคัญ
เพื่อเข้าใจว่าการค้นพบนี้มีความสำคัญเพียงใด การพิจารณาความท้าทายหลักของการคำนวณควอนตัมจึงมีประโยชน์: การสูญหายของความสัมพันธ์ บิตควอนตัมหรือคิวบิตเข้ารหัสข้อมูลในสถานะควอนตัมที่ไวต่อสิ่งแวดล้อมอย่างสัศรุতเฉี่ยวฉวัน แม้กระทั่งการสั่นสะเทือนเล็กน้อย ความผันผวนของอุณหภูมิ หรือสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถทำให้คิวบิตสูญเสียคุณสมบัติควอนตัมของมัน ซึ่งนำเข้าข้อผิดพลาดที่สะสมอย่างรวดเร็วและทำให้การคำนวณไร้ความหมาย
คอมพิวเตอร์ควอนตัมปัจจุบันแก้ไขปัญหานี้ผ่านการแก้ไขข้อผิดพลาด โดยใช้คิวบิตจริงจำนวนมากในการเข้ารหัสคิวบิตตรรกะเพียงตัวเดียว พร้อมการตรวจสอบและแก้ไขข้อผิดพลาดอย่างต่อเนื่อง วิธีการนี้ได้ผล แต่ต้องใช้ทรัพยากรอย่างมากมาย คอมพิวเตอร์ควอนตัมขั้นสูงสุดในวันนี้ใช้คิวบิตส่วนใหญ่สำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดแทนที่จะเป็นการคำนวณจริง
คิวบิตโทโพโลจิเสนอวิธีการที่แตกต่างโดยพื้นฐาน แทนที่จะเข้ารหัสข้อมูลในสถานะควอนตัมที่เปราะบางซึ่งต้องได้รับการแก้ไขอย่างต่อเนื่อง คิวบิตโทโพโลจิจัดเก็บข้อมูลในคุณสมบัติส่วนกลางของคู่เฟอร์มิออนมาโยรานา คุณสมบัติเหล่านี้ได้รับการป้องกันโดยธรรมชาติจากการรบกวนเฉพาะที่ เช่นเดียวกับปมที่ไม่สามารถปลดออกได้โดยการเขยิบเชือกเพียงอย่างเดียว การป้องกันโทโพโลจินี้สามารถลดปริมาณการแก้ไขข้อผิดพลาดที่จำเป็นได้อย่างมากนัก ทำให้การคำนวณควอนตัมในทางปฏิบัติเป็นไปได้มากขึ้น
การค้นพบเทลลูเรียม-ซีลีเนียม
ทีมวิจัยทำงานกับฟิล์มบางจากครอบครัววัสดุบิสมัธ-เทลลูไรด์ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในฐานะตัวนำแต่ประมาณไทโพโลจิ ซึ่งเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าบนพื้นผิว แต่เป็นฉนวนในส่วนตัวกลางของมัน โดยการเติบโตฟิล์มเหล่านี้ด้วยองค์ประกอบที่ควบคุมอย่างระมัดระวัง ค่อยๆแทนที่อะตอมซีลีเนียมแทนอะตอมเทลลูเรียม นักวิจัยแมปอิเล็กทรอนิกส์วัสดุของวัสดุวิวัฒนาการ
สิ่งที่พวกเขาพบคือที่อัตราส่วนองค์ประกอบเฉพาะ อิเล็กทรอนไทเซชันระหว่างอิเล็กตรอนในวัสดุผ่านการเปลี่ยนเฟส อิเล็กตรอนเริ่มที่จะจับคู่ในลักษณะที่สร้างทั้งตัวนำยิ่งยวด ความสามารถในการนำไฟฟ้าด้วยความต้านทานเป็นศูนย์ และลำดับโทโพโลจิ คุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ที่ให้การป้องกันจากการสูญเสียความสัมพันธ์
สิ่งสำคัญที่สุดก็คือ การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถเข้าถึงได้ผ่านการควบคุมองค์ประกอบเพียงอย่างเดียว โดยไม่ต้องใช้ความดันที่สูงมาก พื้นผิวแปลกใหม่ หรือเงื่อนไขอื่นๆ ที่ยากต่อการทำซ้ำซึ่งจำกัดวิธีการก่อนหน้านี้ต่อตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิ ฟิล์มถูกเจริญเติบโตโดยใช้การสร้างฟิล์มด้วยลำแสงโมเลกุล ซึ่งเป็นเทคนิคที่ได้รับการสถาปนาแล้วอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งชี้ให้เห็นว่าการขยายการผลิตอาจค่อนข้างตรงไปตรงมา
ความท้าทายก่อนหน้านี้ในสาขา
การค้นหาตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิเป็นหนึ่งในพื้นที่ที่ร้อนแรงที่สุดและบางครั้งถูกเถียงในฟิสิกส์สสารควบแน่น ในปี 2018 บทความที่มีโปรไฟล์สูงในNatureที่อ้างว่าได้สังเกตเห็นเฟอร์มิออนมาโยรานาในสายนาโนตัวนำกึ่งตัวนำถูกเพิกถอนหลังจากที่นักวิจัยคนอื่นไม่สามารถทำให้ผลลัพธ์เป็นจริงได้ตามที่อธิบายไว้ ตอนนั้นมีความมืดมนต่อสาขาทั้งหมดและเพิ่มมาตรฐานสำหรับสิ่งที่ถือว่าเป็นหลักฐานที่น่าเชื่อถือ
วิธีการอื่นๆเกี่ยวข้องกับการวางซ้อนวัสดุต่างๆในโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อน การใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสูง หรือการใช้วัสดุที่ยากต่อการสังเคราะห์อย่างเชื่อถือได้ แม้ว่าจะมีความคืบหน้าบนเส้นทางหลายเส้น แต่ยังไม่มีวิธีการใดที่ส่งมอบการรวมกันของตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิที่เข็มแข็งและการผลิตที่ใช้งานได้จริงซึ่งจำเป็นสำหรับการผลิตอุปกรณ์ควอนตัมในระดับใหญ่
วิธีการปรับปรุงองค์ประกอบใหม่นี้น่าดึงดูดเพราะความเรียบง่ายของมัน แทนที่จะสร้างโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อนหรือทำงานภายใต้เงื่อนไขสุดขั้ว นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าระบบวัสดุเดียวสามารถปรับให้เข้ากับสถานะควอนตัมที่ต้องการได้อย่างราบรื่นโดยผ่านตัวแปรทางเคมีที่ควบคุมได้ดี
จากแล็บสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัม
ความท้าทายอย่างมีนัยสำคัญยังคงอยู่ก่อนที่การค้นพบนี้จะแปลงเป็นฮาร์ดแวร์ควอนตัมที่ใช้งานได้ การแสดงให้เห็นถึงการสร้างจริงและการจัดการของเฟอร์มิออนมาโยรานาในฟิล์มเหล่านี้ และแสดงให้เห็นว่าพวกมันแสดงสถิติการถักแบบไม่ใช่เอเบเลียนซึ่งจำเป็นสำหรับการคำนวณควอนตัมโทโพโลจิ จะต้องมีการทดลองเพิ่มเติม
อย่างไรก็ตาม งานวิจัยแสดงถึงความก้าวหน้าที่มีความหมาย โดยการให้แพลตฟอร์มที่ปรับเปลี่ยนได้ และสามารถทำซ้ำได้เพื่อศึกษาตัวนำยิ่งยวดโทโพโลจิ ฟิล์มบางเทลลูเรียม-ซีลีเนียมให้เครื่องมือใหม่แก่นักทดลองในการสำรวจฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังการคำนวณควอนตัมโทโพโลจิ และความเข้ากันได้กับเทคนิคการเจริญเติบโตฟิล์มที่จัดตั้งไว้แล้วหมายความว่าวัสดุสามารถผลิตได้อย่างง่ายดายโดยกลุ่มวิจัยอื่นๆ ซึ่งเร่งความเร็วของการค้นพบ
สำหรับอุตสาหกรรมการคำนวณควอนตัม ซึ่งลงทุนจากหลายพันล้านดอลลาร์ในการตามหาเครื่องจักรที่มีความหนักแน่นและทนต่อข้อผิดพลาดในเชิงปฏิบัติ ความก้าวหน้าใดๆที่นำคิวบิตโทโพโลจิเข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้นนั้นคุ้มค่าที่จะให้ความสนใจ การปรับเคมีเพียงเล็กน้อยนี้อาจดูเรียบง่าย แต่ในโลกของวัสดุควอนตัม บางครั้งการเปลี่ยนแปลงที่ง่ายที่สุดก็ให้ผลลัพธ์ที่ลึกซึ้งที่สุด
บทความนี้ขึ้นอยู่กับการรายงาน โดยวิทยาศาสตร์ประจำวัน อ่านบทความต้นฉบับ.
