Naukowcy opracowali przełomowy sztuczny materiał kwantowy, demonstrując nowatorski stan kwantowy znany jako topologiczny magnes kwantowy wyższego rzędu.
Ten nowy stan mógłby zapewnić bezprecedensową ochronę przed dekoherencją, ulepszając technologie kwantowe dzięki solidnym wzbudzeniom topologicznym, które utrzymują wyższą spójność kwantową niż ich poszczególne składniki.
Formacja stanu kwantowego
Kiedy różne stany kwantowe łączą się, mogą pojawić się nowe zbiorowe stany materii. W sferze kwantowej łączenie składników, takich jak atomy, wywołujących efekty kwantowe, może prowadzić do makroskopowych kwantowych stanów materii, charakteryzujących się egzotycznymi wzbudzeniami kwantowymi, które nie występują nigdzie indziej.
We współpracy między Uniwersytetem Aalto a Instytutem Fizyki CAS naukowcy zbudowali sztuczny materiał kwantowy, atom atomowo, z tytanu magnetycznego na wierzchu podłoża z tlenku magnezu. Następnie starannie opracowali interakcję atomów wewnątrz materiału, mając na celu narodziny nowego stanu materii kwantowej. Jose Lado, adiunkt na Uniwersytecie Aalto, stworzył teoretyczny projekt inżynierii materiału charakteryzującego się topologicznym magnetyzmem kwantowym, a grupa kierowana przez profesora nadzwyczajnego Kai Yang z Instytutu Fizyki CAS zbudowała i zmierzyła sztuczny materiał za pomocą manipulacji atomowej za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej .
Odkrycie nowego stanu kwantowego
W rezultacie badacze po raz pierwszy zademonstrowali nowy kwantowy stan materii, znany jako topologiczny magnes kwantowy wyższego rzędu. Magnes topologiczny może stanowić nowy sposób na uzyskanie znacznej ochrony przed dekoherencją w technologii kwantowej.
Wyniki badania opublikowano 29 sierpnia w czasopiśmie Nanotechnologia natury.
Potencjalne zastosowania w technologii kwantowej
Topologiczna kwantowa materia wielociałowa, taka jak ten nowy magnes kwantowy, jest nie tylko interesująca z punktu widzenia nauk podstawowych, ale może mieć przełomowy wpływ na przyszłe technologie kwantowe.
„Stworzenie topologicznego magnesu kwantowego o wielu ciałach umożliwia zbadanie nowego, ekscytującego kierunku w fizyce. Wzbudzenia w topologicznych magnesach kwantowych mają zupełnie inne właściwości niż te występujące w konwencjonalnych magnesach i mogą pozwolić nam na stworzenie nowych zjawisk fizycznych, które wykraczają poza możliwości obecnych materiałów kwantowych” – mówi Lado.
Magnetyzm kwantowy i manipulacja materiałami
Magnesy kwantowe to materiały, które realizują kwantową superpozycję stanów magnetycznych, przenosząc zjawiska kwantowe ze skali mikroskopowej do makroskopowej. Materiały te charakteryzują się egzotycznymi wzbudzeniami kwantowymi – w tym wzbudzeniami ułamkowymi, podczas których elektrony zachowują się tak, jakby były podzielone na wiele części – które nie istnieją nigdzie poza tym materiałem.
Aby manipulować zachowaniem atomów w złożonym przez badaczy materiale kwantowym, wkłuli każdy atom maleńką igłą. Technika ta pozwala na dokładne sondowanie kubitów na poziomie atomowym. Igła, w rzeczywistości atomowo ostra metalowa końcówka, służyła do wzbudzania lokalnego momentu magnetycznego atomów, co skutkowało wzbudzeniami topologicznymi o zwiększonej spójności.
„Topologiczne wzbudzenia kwantowe, takie jak te realizowane w topologicznym magnesie kwantowym, który teraz zbudowaliśmy, mogą zapewniać znaczną ochronę przed dekoherencją. Ostatecznie ochrona oferowana przez te egzotyczne wzbudzenia może pomóc nam pokonać niektóre z najpilniejszych wyzwań stojących przed obecnie dostępnymi kubitami” – mówi Lado.
Obserwacje eksperymentalne i przyszłe implikacje
W swoim eksperymencie naukowcy zaobserwowali, że wzbudzenia topologiczne były odporne na zakłócenia, co przewidywano również w projekcie teoretycznym Lado. Wyniki pokazały również, że spójność kwantowa wzbudzeń topologicznych była wyższa niż ich oryginalnych poszczególnych składowych. Odkrycie to może wskazywać na sposób przekształcenia sztucznego materiału kwantowego opracowanego przez badaczy w element budulcowy informacji kwantowej chroniony przed dekoherencją.
Odniesienie: „Budowa topologicznych magnesów kwantowych ze spinów atomowych na powierzchniach” autorstwa Hao Wanga, Peng Fana, Jing Chena, Lili Jiang, Hong-Jun Gao, Jose L. Lado i Kai Yanga, 29 sierpnia 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01775-2
