Naukowcy z Uniwersytetu w Kolonii znaleźli sposób na zastosowanie właściwości nadprzewodnictwa w materiałach znanych z przewodzenia prądu elektrycznego tylko wzdłuż krawędzi, co stanowi ważny krok w kierunku opracowania bardziej niezawodnych komputerów kwantowych. Osiągnęli to, używając elektrod niobowych do tworzenia chiralnych stanów Majorany, specjalnych stanów kwantowych, które są kluczowe dla opracowania silnych bitów kwantowych. Źródło: SciTechDaily.com
Zespołowi fizyków udało się uzyskać właściwości nadprzewodzące w materiałach znanych z przewodzącego prąd elektryczny tylko na krawędziach, co stanowi potencjalny krok naprzód w dziedzinie obliczenia kwantowe technologia.
Osiągnięcie to, które przez ponad dekadę umykało badaczom, było możliwe dzięki skrupulatnej kontroli warunków eksperymentalnych.
Przełomy kwantowe
Zespół fizyków eksperymentalnych pod kierownictwem Uniwersytetu w Kolonii wykazał, że możliwe jest wytworzenie efektów nadprzewodzących w specjalnych materiałach znanych ze swoich unikalnych właściwości elektrycznych działających wyłącznie na krawędziach. Odkrycie to zapewnia nowy sposób badania zaawansowanych stanów kwantowych, który może mieć kluczowe znaczenie dla opracowania stabilnych i wydajnych komputerów kwantowych. Ich badanie zatytułowane „Indukowane korelacje nadprzewodzące w kwantowym anomalnym izolatorze Halla” opublikowano w czasopiśmie Fizyka Przyrody.
Kwantowy anomalny efekt Halla i nadprzewodnictwo
Nadprzewodnictwo to zjawisko polegające na przepływie prądu elektrycznego bez oporu w niektórych materiałach. Kwantowy anomalny efekt Halla to kolejne zjawisko, które również powoduje zerowy opór, ale z pewną zmianą: ogranicza się do krawędzi, a nie rozprzestrzenia. Teoria przewiduje, że połączenie nadprzewodnictwa i kwantowego anomalnego efektu Halla doprowadzi do powstania chronionych topologicznie cząstek zwanych fermionami Majorany, które potencjalnie zrewolucjonizują przyszłe technologie, takie jak komputery kwantowe. Taką kombinację można osiągnąć poprzez indukcję nadprzewodnictwa na krawędzi kwantowego anomalnego izolatora Halla, który jest już pozbawiony rezystancji. Powstały chiralny stan krawędziowy Majorany, będący specjalnym rodzajem fermionów Majorany, jest kluczem do realizacji „latających kubitów” (lub bitów kwantowych), które są chronione topologicznie.
Osiągnięcie chiralnych stanów Majorany
Anjana Uday, doktorantka ostatniego roku w grupie profesora dr Yoichi Ando i pierwsza autorka artykułu, wyjaśniła: „W tym badaniu wykorzystaliśmy cienkie warstwy kwantowego anomalnego izolatora Halla połączonego z nadprzewodzącą elektrodą niobową i wypróbowaliśmy indukować chiralne stany Majorany na jego krawędziach. Po pięciu latach ciężkiej pracy w końcu udało nam się osiągnąć ten cel: kiedy wstrzykniemy elektron w jeden zacisk materiału izolatora, odbija się on na innym końcu nie jako elektron, ale jako dziura, która w zasadzie jest fantomem elektron o przeciwnym ładunku. Nazywamy to zjawisko skrzyżowanym odbiciem Andreeva i pozwala nam wykryć indukowane nadprzewodnictwo w topologicznym stanie brzegowym.
Klucz do sukcesu i współpracy
Gertjan Lippertz, doktorant w grupie Ando i współautor artykułu, dodał: „W ciągu ostatnich dziesięciu lat od odkrycia kwantowego anomalnego efektu Halla wiele grup próbowało tego eksperymentu, ale nikomu się to nie udało. w nim wcześniej. Kluczem do naszego sukcesu jest to, że osadzanie warstwy kwantowego anomalnego izolatora Halla, każdy etap wytwarzania urządzenia, a także pomiary w ultraniskich temperaturach są wykonywane w tym samym laboratorium. Nie jest to możliwe gdzie indziej.”
Aby osiągnąć te wyniki, grupa kolońska współpracowała z kolegami z KU Leuven, Uniwersytetu w Bazylei oraz Forschungszentrum Jülich. Ten ostatni wniósł wkład teoretyczny w ramach wspólnego Klastra Doskonałości Materii i Światła dla Obliczeń Kwantowych (ML4Q). „Klaster odegrał kluczową rolę w zapewnieniu ram współpracy i zasobów niezbędnych do tego przełomu” – wyjaśnił Yoichi Ando, profesor fizyki eksperymentalnej na Uniwersytecie w Kolonii i rzecznik ML4Q.
Przyszłe kierunki obliczeń kwantowych
Odkrycie to otwiera wiele możliwości przyszłych badań. Kolejne kroki obejmują eksperymenty mające na celu bezpośrednie potwierdzenie pojawienia się chiralnych fermionów Majorany i wyjaśnienie ich egzotycznej natury. Zrozumienie i wykorzystanie topologicznego nadprzewodnictwa i chiralnych stanów brzegowych Majorany może zrewolucjonizować obliczenia kwantowe, zapewniając stabilne kubity, które są mniej podatne na dekoherencję i utratę informacji. Platforma zaprezentowana w tym badaniu oferuje obiecującą drogę do osiągnięcia tych celów, potencjalnie prowadząc do powstania solidniejszych i skalowalnych komputerów kwantowych.
Odniesienie: „Indukowane korelacje nadprzewodzące w kwantowym anomalnym izolatorze Halla” autorstwa Anjany Uday, Gertjana Lippertza, Kristofa Moorsa, Henry’ego F. Legga, Rikkie Jorisa, Andrei Bliesener, Lino MC Pereira, AA Taskin i Yoichi Ando, 10 lipca 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02574-1
