Ультратонкие дизайнерские материалы открывают квантовые явления

В основе квантового компьютера лежит кубит, который используется для высокоскоростных вычислений. Кубиты, которые Google, например, в своем процессоре Sycamore представил в прошлом году, и другие, которые используются в настоящее время, очень чувствительны к шуму и помехам от окружения компьютера, что вносит ошибки в вычисления. Новый тип кубита, называемый топологическим кубитом, может решить эту проблему, и одномерные режимы Майораны с нулевой энергией могут быть ключом к их созданию.

"Топологический квантовый компьютер основан на топологических кубитах, которые должны быть более устойчивыми к шуму, чем другие кубиты. Однако топологические кубиты еще не созданы в лаборатории", - объясняет профессор Питер Лилджерот, ведущий исследователь проекта.

MZM - это группы электронов, связанных друг с другом определенным образом, поэтому они ведут себя как частица, называемая фермионом Майорана, полумифическая частица, впервые предложенная полумифическим физиком Этторе Майорана в 1930-х годах. Если бы теоретические частицы Майораны могли быть связаны вместе, они работали бы как топологический кубит. Одна загвоздка: никаких доказательств их существования никогда не наблюдалось ни в лаборатории, ни в астрономии. Вместо того, чтобы пытаться создать частицу, которую никто никогда не видел нигде во Вселенной, исследователи пытаются заставить обычные электроны вести себя так же, как они.

Для создания MZM исследователям нужны материалы невероятно малого размера, и в этой области специализируется группа профессора Лильерота из Университета Аалто. MZM образуются, давая группе электронов очень определенное количество энергии, а затем удерживая их вместе, чтобы они не могли сбежать. Для этого материалы должны быть двухмерными и как можно более тонкими. Чтобы создать 1D MZM, команде нужно было создать совершенно новый тип 2D-материала: топологический сверхпроводник.

Топологическая сверхпроводимость - это свойство, которое возникает на границе магнитного электрического изолятора и сверхпроводника. Чтобы создать 1D MZM, команде профессора Лильерота нужно было уметь захватывать электроны вместе в топологическом сверхпроводнике, однако это не так просто, как прикрепить любой магнит к любому сверхпроводнику.

"Если вы поместите большинство магнитов на сверхпроводник, вы не позволите ему стать сверхпроводником", - объясняет доктор Шавулиену Кезилебик, первый автор исследования. "Взаимодействие между материалами нарушает их свойства, но для создания MZM вам нужно, чтобы материалы немного взаимодействовали. Хитрость в том, чтобы использовать 2D-материалы: они взаимодействуют друг с другом ровно настолько, чтобы придать свойства, необходимые для MZM, но не настолько, чтобы они мешали друг другу".

Речь идет о спине. В магнитном материале спин выровнен в одном направлении, тогда как в сверхпроводнике спин не выровнен с чередующимися направлениями. Соединение магнита и сверхпроводника обычно разрушает выравнивание и анти-выравнивание спинов. Однако в двухмерных слоистых материалах взаимодействия между материалами достаточно, чтобы "наклонить" спины атомов настолько, чтобы они создали определенное спиновое состояние, называемое спин-орбитальным взаимодействием Рашбы, необходимое для создания MZM.

Топологический сверхпроводник в этом исследовании состоит из слоя бромида хрома, материала, который остается магнитным даже при толщине всего в один атом. Команда профессора Лилджерота вырастила островки бромида хрома толщиной в один атом на поверхности сверхпроводящего кристалла диселенида ниобия и измерила их электрические свойства с помощью сканирующего туннельного микроскопа. На этом этапе они обратились к опыту компьютерного моделирования профессора Адама Фостера из Университета Аалто и профессора Теему Оджанена из Университета Тампере, чтобы понять, что они сделали.

"Было необходимо провести много моделирования, чтобы доказать, что сигнал, который мы видим, был вызван MZM, а не другими эффектами", - говорит профессор Фостер. "Нам нужно было показать, что все детали подходят друг другу, чтобы доказать, что мы производили МZМ".

Теперь команда уверена, что они могут создавать одномерные MZM в двумерных материалах, следующим шагом будет попытка превратить их в топологические кубиты. Этот шаг до сих пор ускользнул от команд, которые уже создали 0-мерные MZM, и команда Аалто не хочет строить предположений о том, будет ли процесс проще с 1-мерными MZM, однако они с оптимизмом смотрят на будущее 1D MZM.

"Самое интересное в этой статье заключается в том, что мы создали MZM из 2D-материалов, - сказал профессор Лильерот. - В принципе, их легче сделать, легче настроить свойства и, в конечном итоге, превратить в пригодное для использования устройство".

В исследовательском сотрудничестве участвовали исследователи из Университета Тампере в Финляндии и Университета М.Кюри-Склодовской в ​​Польше.

Напомним, ранее сообщалось, что квантово-запутанные атомные часы оказались жутко точными.

Источник