Программирование коррелированных магнитных состояний с помощью муаровой геометрии, управляемой затвором
Группа ученых и инженеров из Вашингтонского университета объявила о значительном продвижении в разработке отказоустойчивых кубитов, невосприимчивых к внешним возмущениям. В паре статей, опубликованных 14 июня в журнале Nature и 22 июня в журнале Science, исследователи сообщают, что в экспериментах с чешуйками полупроводниковых материалов толщиной всего в один слой атомов они обнаружили признаки "дробной квантовой аномалии Холла".
Это художественное изображение показывает фракционирование электронов, при котором сильно взаимодействующие заряды могут «расщепляться» на три части, в фазе дробного квантового аномального Холла.
Предоставлено: Эрик Андерсон/Вашингтонский университет.
Квантовые вычисления могут революционизировать наш мир. Для конкретных и важных задач он обещает быть экспоненциально быстрее, чем бинарная технология «ноль или один», которая лежит в основе современных машин, от суперкомпьютеров в лабораториях до смартфонов в наших карманах. Но разработка квантовых компьютеров зависит от создания стабильной сети кубитов — или квантовых битов — для хранения информации, доступа к ней и выполнения вычислений.
Тем не менее, платформы кубитов, представленные на сегодняшний день, имеют общую проблему: они, как правило, хрупки и уязвимы для внешних воздействий. Даже случайный фотон может вызвать проблемы. Разработка отказоустойчивых кубитов, невосприимчивых к внешним возмущениям, может стать окончательным решением этой проблемы.
Группа ученых и инженеров из Вашингтонского университета объявила о значительном продвижении в этом направлении. В паре статей, опубликованных 14 июня в журнале Nature и 22 июня в журнале Science , исследователи сообщают, что в экспериментах с чешуйками полупроводниковых материалов толщиной всего в один слой атомов они обнаружили признаки «дробной квантовой аномалии Холла» (FQAH).
Открытия команды знаменуют собой первый и многообещающий шаг в создании типа отказоустойчивого кубита, потому что состояния FQAH могут содержать любые ионы — странные «квазичастицы», которые имеют лишь часть заряда электрона. Некоторые типы анионов можно использовать для создания так называемых «топологически защищенных» кубитов, устойчивых к любым небольшим локальным возмущениям.
«Это действительно устанавливает новую парадигму для изучения квантовой физики с дробными возбуждениями в будущем», — сказал Сяодун Сюй, ведущий исследователь этих открытий, который также является заслуженным профессором физики Boeing и профессором материаловедения и инженерии в Университете Вашингтона. .
Состояния FQAH связаны с дробным квантовым состоянием Холла, экзотической фазой материи, которая существует в двумерных системах. В этих состояниях электрическая проводимость ограничена точными долями константы, известной как квант проводимости. Но дробные квантовые системы Холла обычно требуют массивных магнитных полей, чтобы поддерживать их стабильность, что делает их непрактичными для приложений в квантовых вычислениях. Состояние FQAH не имеет таких требований — по словам команды, оно стабильно даже «при нулевом магнитном поле».
Для размещения такой экзотической фазы вещества исследователям потребовалось построить искусственную решетку с экзотическими свойствами. Они уложили друг на друга две атомарно тонкие чешуйки полупроводникового материала дителлурида молибдена (MoTe2) под небольшими взаимными углами «поворота» друг относительно друга. Эта конфигурация сформировала синтетическую «сотовую решетку» для электронов.
Когда исследователи охладили сложенные кусочки до температуры на несколько градусов выше абсолютного нуля, в системе возник собственный магнетизм. Собственный магнетизм заменяет сильное магнитное поле, обычно необходимое для дробного квантового состояния Холла. Используя лазеры в качестве зондов, исследователи обнаружили сигнатуры эффекта FQAH, что стало важным шагом вперед в раскрытии возможностей анионов для квантовых вычислений.
Команда, в которую также входят ученые из Университета Гонконга, Национального института материаловедения в Японии, Бостонского колледжа и Массачусетского технологического института, рассматривает свою систему как мощную платформу для более глубокого понимания анионов, которые очень различные свойства обычных частиц, таких как электроны.
Анионы — это квазичастицы — или частицеподобные «возбуждения», — которые могут действовать как доли электрона. В будущей работе со своей экспериментальной системой исследователи надеются обнаружить еще более экзотическую версию этого типа квазичастиц: «неабелевы» анионы, которые можно было бы использовать в качестве топологических кубитов. Обертывание — или «плетение» — неабелевых анионов друг вокруг друга может создать запутанное квантовое состояние. В этом квантовом состоянии информация по существу «распределена» по всей системе и устойчива к локальным возмущениям, формируя основу топологических кубитов и являясь большим преимуществом по сравнению с возможностями современных квантовых компьютеров.
«Этот тип топологического кубита будет принципиально отличаться от тех, которые могут быть созданы сейчас», — сказал докторант физики Университета Вашингтона Эрик Андерсон, ведущий автор статьи в Science и соавтор статьи в Nature. «Странное поведение неабелевых анионов сделало бы их гораздо более надежными в качестве платформы квантовых вычислений».
Три ключевых свойства, все из которых одновременно существовали в экспериментальной установке исследователей, позволили возникнуть состояниям FQAH:
- Магнетизм: хотя MoTe 2 не является магнитным материалом, когда они нагрузили систему положительными зарядами, возник «спонтанный порядок вращения» — форма магнетизма, называемая ферромагнетизмом.
- Топология: электрические заряды в их системе имеют «скрученные полосы», похожие на ленту Мёбиуса, что помогает сделать систему топологической.
- Взаимодействия: Заряды в их экспериментальной системе взаимодействуют достаточно сильно, чтобы стабилизировать состояние FQAH.
Команда надеется, что неабелевы анионы ждут открытия с помощью этого нового подхода.
«Наблюдаемые признаки дробного квантового аномального эффекта Холла вдохновляют», — сказал докторант физики UW Цзяци Цай, соавтор статьи в Nature и соавтор статьи в Science. «Плодотворные квантовые состояния в системе могут стать лабораторией на кристалле для открытия новой физики в двух измерениях, а также новых устройств для квантовых приложений».
«Наша работа дает четкие доказательства долгожданных состояний FQAH», — сказал Сюй, который также является членом Института молекулярной инженерии и наук, Института нано-инженерных систем и Института чистой энергии в Университете Вашингтона. «В настоящее время мы работаем над измерениями электрического транспорта, которые могут предоставить прямые и недвусмысленные доказательства фракционных возбуждений при нулевом магнитном поле».
Команда считает, что с их подходом исследование и манипулирование этими необычными состояниями FQAH может стать обычным делом, ускоряя путь квантовых вычислений.
