Fizycy opracowali przełomowy materiał nadprzewodnikowy, który może zrewolucjonizować skalowalność i niezawodność obliczenia kwantowe komponenty.
Łącząc trygonalny tellur z cienką warstwą złota, stworzyli dwuwymiarowy nadprzewodnik interfejsowy o zwiększonej polaryzacji spinowej, co stwarza obiecujące możliwości w zakresie tworzenia stabilnych kubitów spinowych. Przejście materiału pod polem magnetycznym sugeruje, że można go wykorzystać jako nadprzewodnik tripletowy, co potencjalnie doprowadzi do powstania solidniejszych komponentów obliczeń kwantowych. Co więcej, nowa technologia nadprzewodników w naturalny sposób tłumi źródła dekoherencji, co stanowi poważne wyzwanie w obliczeniach kwantowych, wykorzystujących materiały niemagnetyczne do tworzenia czystszych interfejsów.
Innowacyjny przełom w dziedzinie nadprzewodników w obliczeniach kwantowych
Wieloinstytucjonalny zespół naukowców ze Stanów Zjednoczonych, kierowany przez fizyka Peng Wei z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, opracował nowy materiał nadprzewodnikowy, który mógłby potencjalnie zostać wykorzystany w obliczeniach kwantowych i być kandydatem na „nadprzewodnik topologiczny”.
Topologia to matematyka kształtu. Nadprzewodnik topologiczny wykorzystuje zdelokalizowany stan elektronu lub dziury (dziura zachowuje się jak elektron z ładunkiem dodatnim) do przenoszenia informacji kwantowej i niezawodnego przetwarzania danych.
Nadprzewodnictwo materiału chiralnego i interfejsu
Naukowcy podają dzisiaj (23 sierpnia) w Postęp nauki że połączyli trygonalny tellur z nadprzewodnikiem w stanie powierzchniowym wytworzonym na powierzchni cienkiej warstwy złota. Tellur trygonalny jest materiałem chiralnym, co oznacza, że nie można go nałożyć na swoje lustrzane odbicie, jak nasza lewa i prawa ręka. Tellur trygonalny jest również niemagnetyczny. Niemniej jednak badacze zaobserwowali stany kwantowe na granicy faz, w których występuje dobrze określona polaryzacja spinowa. Polaryzacja spinu umożliwia potencjalne wykorzystanie wzbudzeń do utworzenia spinowego bitu kwantowego – czyli kubitu.
Polaryzacja spinu i potencjał kubitowy
„Tworząc bardzo czystą granicę między materiałem chiralnym a złotem, opracowaliśmy dwuwymiarowy nadprzewodnik interfejsowy” – powiedział Wei, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii. „Nadprzewodnik interfejsu jest wyjątkowy, ponieważ żyje w środowisku, w którym energia spinu jest sześciokrotnie większa niż w konwencjonalnych nadprzewodnikach”.
Naukowcy zaobserwowali, że nadprzewodnik interfejsu ulega przemianie pod wpływem pola magnetycznego i staje się bardziej wytrzymały w wysokim polu w porównaniu z niskim polem, co sugeruje przejście w „nadprzewodnik tripletowy”, który jest bardziej stabilny w polu magnetycznym.
Tłumienie dekoherencji w obliczeniach kwantowych
Co więcej, dzięki współpracy z naukowcami z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), naukowcy wykazali, że taki nadprzewodnik zawierający heterostrukturalne cienkie warstwy złota i niobu w naturalny sposób tłumi źródła dekoherencji wynikające z defektów materiałowych, takich jak tlenki niobu, które są częstym wyzwaniem w przypadku niobu nadprzewodniki. Wykazali, że z nadprzewodnika można wykonać wysokiej jakości, niskostratne rezonatory mikrofalowe, których współczynnik jakości sięga 1 miliona.
Implikacje dla technologii obliczeń kwantowych
Według międzynarodowej firmy technologicznej IBM nowa technologia ma zastosowanie w informatyce kwantowej – dziedzinie, która wykorzystuje mechanikę kwantową do rozwiązywania złożonych problemów, których klasyczne komputery lub superkomputery nie są w stanie rozwiązać lub nie są w stanie rozwiązać wystarczająco szybko.
„Osiągnęliśmy to, stosując materiały o jeden rząd wielkości cieńsze niż te zwykle stosowane w branży obliczeń kwantowych” – powiedział Wei. „Rezonatory mikrofalowe o niskich stratach są kluczowymi elementami obliczeń kwantowych i mogą prowadzić do powstania kubitów nadprzewodzących o niskich stratach. Największym wyzwaniem w obliczeniach kwantowych jest ograniczenie dekoherencji lub utraty informacji kwantowej w systemie kubitowym.
Dekoherencja ma miejsce, gdy układ kwantowy wchodzi w interakcję ze swoim otoczeniem, co prowadzi do wymieszania informacji systemu z otoczeniem. Dekoherencja stanowi wyzwanie dla realizacji komputerów kwantowych.
W przeciwieństwie do poprzednich metod, które wymagają materiałów magnetycznych, nowe podejście badaczy wykorzystuje materiały niemagnetyczne w celu uzyskania czystszego interfejsu.
Obiecująca przyszłość skalowalnych komponentów kwantowych
„Nasz materiał może być obiecującym kandydatem do opracowania bardziej skalowalnych i niezawodnych komponentów obliczeń kwantowych” – powiedział Wei.
Odniesienie: „Sygnatury interfejsu spinowo-aktywnego i lokalnie wzmocnionego pola Zeemana w heterostrukturze materiału nadprzewodnikowo-chiralnego” 23 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.ado4875
Do badań Wei’a dołączyli jego absolwenci z UCR.
Wkład UCR w projekt badawczy został sfinansowany z nagrody Wei’s NSF CAREER, grantu NSF Convergence Accelerator Track-C udostępnionego przez UCR i MIToraz fundusz Lincoln Lab Line współdzielony przez UCR i MIT.
Technologia została ujawniona Biuru ds. Partnerstw Technologicznych UCR i złożono tymczasowy patent.
