Возможный "топологический сверхпроводник" мог бы преодолеть промышленную проблему квантовой декогеренции.
Потенциально полезный материал для создания квантовых компьютеров был обнаружен в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), ученые которого обнаружили сверхпроводник, способный обойти одно из главных препятствий, стоящих на пути эффективных квантовых логических схем.
Недавно обнаруженные свойства в составном дителлуриде урана, или UTe2, показывают, что он может оказаться весьма устойчивым к одному из заклятых врагов разработки квантовых компьютеров - трудности с созданием переключателей памяти такого компьютера, называемых квитами, функционирующими достаточно долго, чтобы закончить вычисление, прежде чем потерять тонкую физическую связь, которая позволяет им работать как группе. Эти отношения, называемые квантовой когерентностью, трудно поддерживать из-за возмущений окружающего мира.
Необычная и сильная устойчивость соединения к магнитным полям делает его редкой птицей среди сверхпроводящих (SC) материалов, которые обладают явными преимуществами при конструировании кубитов, главным образом, их стойкостью к ошибкам, которые могут легко прокрасться в квантовые вычисления. Исключительное поведение UTe2 может сделать его привлекательным для зарождающейся квантовой компьютерной индустрии, по словам Ника Бутча из исследовательской группы.
"Это потенциально кремний квантового информационного века", - сказал Бутч, физик из Центра нейтронных исследований NIST (NCNR). "Вы могли бы использовать дителлурид урана для создания квитов эффективного квантового компьютера".
Результаты исследований группы, в состав которой входят также ученые из лаборатории Университета Мэриленда и Эймса, сегодня появляются в журнале Science. В их статье подробно описываются необычные свойства UTe2, которые интересны как с точки зрения технологического применения, так и с точки зрения фундаментальной науки.
Одним из них является необычный способ, которым электроны, проводящие электричество через UTe2, взаимодействуют друг с другом. В медной проволоке или каком-то другом обычном проводнике электроны перемещаются как отдельные частицы, но во всех SC они образуют так называемые пары Купера. Электромагнитные взаимодействия, которые вызывают эти пары отвечают за сверхпроводимость материала. Объяснение такого рода сверхпроводимости называется теорией BCS в честь трех ученых, которые обнаружили пары (и разделили Нобелевскую премию за это).
Что особенно важно для этой пары Купера, так это то, что все электроны обладают свойством. Известное как квантовое "вращение", оно заставляет электроны вести себя так, как будто каждый из них имеет маленький балочный магнит, проходящий через них. В большинстве SCs, парные электроны имеют свои квантовые спины, ориентированные одним способом - один электрон указывает вверх, в то время как его партнер указывает вниз. Эта противоположная пара называется спиновым синглетом.
Небольшое число известных сверхпроводников, однако, являются нонконформистами, и UTe2 выглядит среди них. Их пары Cooper могут иметь спины, ориентированные в одной из трех комбинаций, что делает их спиновыми триплетами. Эти комбинации позволяют спинам пар Купер ориентироваться параллельно, а не противопоставляться. Прогнозируется, что большинство спин-триплетов SC также являются "топологическими" SC, обладающими весьма полезным свойством, при котором сверхпроводимость будет проявляться на поверхности материала и оставаться сверхпроводимой даже при внешних возмущениях.
"Эти параллельные спиновые пары могли бы помочь компьютеру оставаться функциональными", - сказал Бутч. "Он не может спонтанно упасть из-за квантовых флуктуаций".
Все квантовые компьютеры до этого момента нуждались в способе исправления ошибок, которые прокрадывались из их окружения. Под SC давно понимают общие преимущества, лежащие в основе квантовых компьютерных компонентов, и несколько последних коммерческих достижений в области квантовых компьютеров включают схемы, изготовленные из сверхпроводников. Свойства топологических SC, которые могут использоваться в квантовых компьютерах, имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они не нуждаются в исправлении квантовых ошибок.
Команда наткнулась на UTe2 во время исследования магнитов на основе урана, электронные свойства которых можно настроить по желанию, изменив их химический состав, давление или магнитное поле - полезная функция, которую нужно иметь, когда вам нужны настраиваемые материалы. (Ни один из этих параметров не основан на радиоактивности. Материал содержит "обедненный уран", который лишь слегка радиоактивен. Кубиты, изготовленные из UTe2, будут крошечными, и их можно будет легко экранировать от окружающей среды остальным компьютером).
Команда не ожидала, что соединение будет обладать обнаруженными свойствами.
"UTe2 впервые был создан еще в 1970-х годах, и даже в довольно недавних исследовательских статьях он описывался как ничем не примечательный", - сказал Бутч.
Команда НИСТ начала исследовать UTe2 со специализированными инструментами как в NCNR, так и в Университете Мэриленда. Они увидели, что он стал сверхпроводящим при низких температурах (ниже -271,5 градуса Цельсия, или 1,6 кельвина). Его сверхпроводящие свойства напоминали свойства редких сверхпроводников, которые одновременно являются ферромагнитными - действуют как низкотемпературные постоянные магниты. Однако любопытно, что UTe2 сам по себе не является ферромагнитным.
"Это делает UTe2 принципиально новым только по этой причине", - сказал Бутч.
Он также очень устойчив к магнитным полям. Обычно поле разрушает сверхпроводимость, но в зависимости от направления, в котором оно применяется, UTe2 выдерживает поля до 35 тесла. Это в 3500 раз сильнее, чем обычный магнит холодильника, и во много раз сильнее, чем большинство низкотемпературных топологических СК, которые могут выдержать.
Хотя команда еще не доказала, что UTe2 является топологическим СК, Бутч говорит, что это необычное сопротивление сильным магнитным полям означает, что это должен быть спин-триплетный СК, и поэтому он, вероятно, также является топологическим СК. Это сопротивление также может помочь ученым понять природу UTe2 и, возможно, саму сверхпроводимость.
"Дальнейшее изучение этого сопротивления могло бы дать нам представление о том, что стабилизирует эти параллельно простирающиеся СК", - сказал он. - "Основная цель исследований СК состоит в том, чтобы понять сверхпроводимость достаточно хорошо, чтобы мы знали, где искать еще не открытые материалы СК". Сейчас мы не можем этого сделать. А как насчет них? Мы надеемся, что этот материал расскажет нам больше".