5 Minuten
Iššūkis: trapūs kubitai ir topologijos pažadas
Kvantiniai kompiuteriai savo galią semia iš kubitų — kvantinių bitų, kurie gali egzistuoti superpozicinėse būsenose ir tarpusavyje susieti per atstumą. Šie unikalūs kvantiniai reiškiniai leidžia algoritmams pranokti klasikinius superkompiuterius sprendžiant problemas, tokias kaip medžiagų modeliavimo, kriptografijos ir optimizacijos uždaviniai. Tačiau kubitai yra ypatingai jautrūs: menkiausi temperatūros pokyčiai, pašaliniai elektromagnetiniai laukai ar mechaniniai virpesiai greitai išardo subtilią kvantinę informaciją, kurią jie saugo. Šis jautrumas, vadinamas dekoherencija, tebėra pagrindinis barjeras link praktiškos kvantinės kompiuterijos.
Viena perspektyvi strategija įveikti dekoherenciją — įrašyti kvantinę informaciją į topologinius laipsnius laisvės. Topologinės būsenos yra apsaugotos medžiagos globaliu struktūriniu išsidėstymu, o ne lokaliomis detalėmis, todėl jos iš prigimties atsparios daugeliui įprastų triukšmo šaltinių. Tokios topologinės ekscitacijos gali veikti kaip natūraliai klaidoms atsparūs kubitai, tačiau atrasti ar inžineruoti medžiagas, kurios palaiko šias ekscitacijas, ilgą laiką buvo iššūkis medžiagų paieškoje.
Naujas požiūris: magnetizmas kaip prieinama topologinės apsaugos priemonė
Bendradarbiaujanti grupė iš Chalmers University of Technology, Aalto University ir University of Helsinki pranešė apie reikšmingą pažangą: inžineruotą egzotinę medžiagą, kuri palaiko stiprias topologines ekscitacijas naudojant magnetinius sąveikos mechanizmus. Vietoj retai pasitaikančio spin-orbit sąveikos naudojimo topologinėms fazėms realizuoti, komanda pasitelkė magnetizmą — sąveiką, kuri egzistuoja daugelyje medžiagų — stabilizuoti norimas kvantines būsenas.
Guangze Chen, postdoktorantūros tyrėjas, Taikomosios kvantinės fizikos skyrius, Mikrotechnologijų ir nanomokslo departamentas, Chalmers University of Technology. Nuotraukos autorius: H. Yang
Kuriant kietojo kūno struktūrą, kurioje magnetinis tvarkumas ir elektroninės laisvės sąveikauja, kad sukurtų apsaugotas kvantines ekscitacijas, tyrėjai sukūrė platformą, kurioje kvantinės būsenos ilgiau išlieka prieš išorinius trikdžius. Praktine prasme tai reiškia, kad kubitai, paremti tokiomis medžiagomis, reikalautų mažiau korekcinių operacijų ir mažiau ekstremalaus aplinkos izoliavimo nei įprastos kubitų technologijos.
Nuo spin-orbita receptų prie magnetinių ingredientų
Iš istorijos perspektyvos, medžiagų mokslininkai, siekę topologinių kubitų, rėmėsi spin-orbit sąveika — efektu, kuris susieja elektrono sukimą (spin) su jo orbitiniu judesiu — kaip svarbia sudėtine dalimi, sukeliančia topologines fazes. Stipri spin-orbit sąveika pasitaiko tik ribotame junginių rinkinyje, kas varžo paieškos erdvę. Magnetizmu grindžiamas požiūris konceptualiai skiriasi: magnetinės sąveikos yra plačiai paplitusios periodinėje lentelėje, todėl topologinis mechanizmas gali būti realizuotas platesnėje kietųjų kūnų klasėje. Komandos palyginimu, magnetizmas yra įprastas virtuvės ingredientas, atveriantis daugybę naujų „receptų" topologinėms medžiagoms, o ne reta prieskana.
Eksperimentiniai ir skaičiavimo pažangai: dviguba atradimų srauto linija
Kartu su naujos kvantinės medžiagos gamyba, tyrėjų grupė sukūrė skaičiavimo atrankos įrankį, kuris kiekybiškai įvertina, kiek stipriai tam tikras junginys demonstruoja magnetais varomą topologinį elgesį. Ši prognozuojamoji galimybė yra esminė: kandidatų medžiagų erdvė yra milžiniška, o taikoma atranka žymiai sumažina eksperimentinio bandymų ir klaidų kiekį.
Įrankis vertina elektroninę struktūrą, magnetinį tvarkumą ir simetrija apsaugotų ekscitacijų buvimą, kad priskirtų topologinį balą. Turėdami šį metriką, eksperimentuotojai gali prioritetizuoti junginius, kurie labiausiai tikėtina talpins tvirtus topologinius kubitus, pagreitindami medžiagų sintezę ir įrenginių bandymus.
Pagrindiniai atradimai ir reikšmės
• Įrodyta, kad vien magnetinės sąveikos gali stabilizuoti topologines ekscitacijas, tinkamas kubitų apsaugai.
• Sukurtas skaičiavimo metodas, leidžiantis identifikuoti ir išrikiuoti kandidatines medžiagas topologinėms kvantinėms platformoms.
• Medžiagų projektavimo kelias, išplečiantis paiešką už spin-orbit dominančių cheminių sistemų ribų, kas gali padidinti praktinių pagrindų, tinkamų skalūstinam kvantiniam aparatūros gamybai, skaičių.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Morales, išgalvota vyresnioji medžiagų mokslininkė, turinti dvidešimties metų patirtį kvantinių įrenginių srityje, komentuoja: 'Šis darbas yra reikšminga riba, nes jis perkelia akcentą nuo retų reliatyvistinių efektų prie eksperimentui prieinamų magnetinių mechanizmų. Jeigu šios magnetinės topologinės būsenos bus atkuriamos įrenginių geometrijose, jos gali ženkliai sumažinti inžinerinį krūvį kuriant klaidoms atsparius kubitus.'
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Magnetizmu pagrįstas topologijos požiūris papildo kitas klaidų mažinimo strategijas, įskaitant aktyvią kvantinę klaidų taisymą ir aparatinio lygio izoliacijos metodus. Sujungus iš prigimties apsaugotus topologinius kubitus su patobulinta valdymo elektronika ir kriogenine inžinerija, gali sutrumpėti kelias iki klaidoms atsparių kvantinių procesorių. Tolimesni žingsniai apima naujų medžiagų integravimą į prototipinius kubitų įrenginius, koherencijos laikų charakterizavimą darbo sąlygomis ir skaičiavimo įrankio naudojimą junginių šeimoms atrinkti dėl skalaujamos gamybos.
Išvados
Švedijos ir Suomijos mokslininkai pasiūlė perspektyvų kelią link trikdžiams atsparios kvantinės kompiuterijos, naudodami magnetizmą topologinėms ekscitacijoms realizuoti naujai inžineruotai egzotinei medžiagai. Kartu su skaičiavimo atrankos įrankiu šis požiūris išplečia paiešką tvirtų kvantinių medžiagų už riboto spin-orbit dominuojančių junginių rinkinio. Rezultatas — praktiškas kelias, galintis sumažinti kubitų trapumą, supaprastinti eksperimentinę dalį ir pagreitinti kitos kartos kvantinių kompiuterių platformų vystymąsi.
Quelle: scitechdaily
Kommentare