Сотрудники кафедры физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ, кандидат физико-математических наук, доцент Андрей Красавин и кандидат физико-математических наук Вячеслав Неверов, сделали значительное открытие в области квантовых технологий. Они разработали метод, позволяющий улучшить детектирование квазичастиц, что может сыграть важную роль в создании квантовых компьютеров.
Исследование основывается на теоретических доказательствах, которые показывают, что добавление немагнитных примесей в сверхпроводники не препятствует, а способствует обнаружению майорановских нулевых мод — особых состояний, возникающих в топологических сверхпроводниках. Эти квазичастицы, обладающие нулевой энергией, считаются перспективными кандидатами на роль кубитов в квантовых вычислениях благодаря своей топологической защищенности, которая обеспечивает устойчивость закодированной в них информации к локальным возмущениям.
Однако практическое обнаружение майорановских мод связано с определенными трудностями. В вихрях, образующихся в топологических сверхпроводниках, помимо нулевых мод, присутствуют и обычные возбуждения с конечными энергиями, что затрудняет экспериментальную изоляцию искомого сигнала. Обычно для решения этой проблемы ученые искали экзотические материалы, однако часто такие материалы содержат магнитные дефекты, что искажает результаты.
Команда МИФИ предложила нестандартное решение: использовать стандартные сверхпроводники с намеренно введенными немагнитными примесями. При помощи компьютерного моделирования на основе подхода Боголюбова-де Жена, исследователи смогли показать, что такие примеси выполняют функцию энергетического фильтра. Как отметил Андрей Красавин, «наши результаты опровергают распространенное мнение о том, что для обнаружения майорановских мод требуются идеально чистые материалы с экстремальными характеристиками. Мы показали, что немагнитная примесь, на которой может закрепляться вихрь, не затрагивает саму майорановскую моду благодаря ее топологической защищенности, но «расталкивает» остальные, паразитные энергетические состояния».
Это открытие связано с различием в природе связанных состояний. Майорановская мода устойчива к локальному потенциалу примеси, в то время как обычные состояния восприимчивы к беспорядку, что приводит к смещению их уровней энергии. В результате, энергетический зазор между полезным сигналом и шумом увеличивается, что позволяет фиксировать пик плотности состояний, соответствующий искомой квазичастице. Устойчивость эффекта подтверждается расчетами для различных параметров потенциала примеси: при увеличении силы потенциала обычные уровни удаляются от центра запрещенной зоны, оставляя майорановскую моду в «гордом одиночестве».
Исследование, которое освещает эти достижения, было опубликовано в высокорейтинговом журнале Research, подтверждая значимость работы команды НИЯУ МИФИ в области квантовых технологий.