Платформа для стабильных квантовых вычислений, площадка для экзотической физики

Исследователи Гарвардского университета продемонстрировали первый материал, который может иметь как сильно коррелированные электронные взаимодействия, так и топологические свойства. Не совсем уверен, что это значит? Не волнуйтесь, мы проведем вас через это. Все, что вам нужно знать прямо сейчас, это то, что это открытие не только прокладывает путь к более стабильным квантовым вычислениям, но также и совершенно новой платформе для исследования дикого мира экзотической физики.

Исследование было опубликовано в журнале «Физика природы». Давайте начнем с основ. Топологические изоляторы - это материалы, которые могут проводить электричество по своей поверхности или краю, но не посередине. Странная вещь в этих материалах заключается в том, что независимо от того, как вы их режете, поверхность всегда будет проводящей, а середина - всегда изолирующей. Эти материалы предлагают площадку для фундаментальной физики, но также перспективны для ряда приложений в специальных типах электроники и квантовых вычислений. Со времени открытия топологических изоляторов исследователи по всему миру работают над тем, чтобы идентифицировать материалы с такими мощными свойствами. «Недавний бум в физике конденсированных сред произошел из-за открытия материалов с топологически защищенными свойствами», - сказал Харрис Пири, аспирант физического факультета и первый автор статьи. Один потенциальный материал, гексаборид самария, был в центре ожесточенных споров среди физиков конденсированных сред на протяжении более десяти лет. Центральный вопрос: это топологический изолятор или нет? «За последние десять лет вышло несколько газет, в которых говорилось« да », и несколько газет, в которых говорилось« нет », - сказала Пири. «Суть проблемы в том, что большинство топологических материалов не имеют сильно взаимодействующих электронов, что означает, что электроны движутся слишком быстро, чтобы чувствовать друг друга. Но гексаборид самария делает это, что означает, что электроны внутри этого материала замедляются достаточно, чтобы сильно взаимодействовать. на самом деле, теория становится довольно спекулятивной, и неясно, возможно ли, чтобы материалы с сильно взаимодействующими свойствами были также топологическими. Как экспериментаторы, мы в значительной степени слепо работаем с такими материалами ». Чтобы урегулировать спор и выяснить, раз и навсегда, возможно ли обладать как сильно взаимодействующими, так и топологическими свойствами, исследователи сначала должны были найти хорошо упорядоченный участок поверхности гексаборида самария, на котором можно провести эксперимент. , Это была нелегкая задача, учитывая, что большая часть поверхности материала представляет собой скалистый беспорядок. Исследователи использовали сверхточные измерительные инструменты, разработанные в лаборатории Дженни Хоффман, профессора науки Клоус и старшего автора статьи, чтобы найти подходящее, в атомном масштабе, пятно гексаборида самария. Затем команда решила определить, является ли материал топологически изолирующим, посылая волны электронов через материал и рассеивая их от атомных дефектов - как падение гальки в пруд. Наблюдая за волнами, исследователи могли определить импульс электронов по отношению к их энергии.

«Мы обнаружили, что импульс электронов прямо пропорционален их энергии, которая является дымящимся оружием топологического изолятора», - сказал Пири. «Действительно захватывающе быть, наконец, двигаться в этом пересечении взаимодействия физики и топологической физики. Мы не знаем, что мы найдем здесь». Что касается квантовых вычислений, то сильно взаимодействующие топологические материалы могут защитить кубиты от забвения их квантового состояния, процесса, называемого декогеренцией. «Если бы мы могли кодировать квантовую информацию в топологически защищенном состоянии, она менее восприимчива к внешнему шуму, который может случайно переключить кубит», - сказал Хоффман. «У Microsoft уже есть большая команда, занимающаяся топологическими квантовыми вычислениями в композитных материалах и наноструктурах. Наша работа демонстрирует первый в одном топологическом материале, который использует сильные электронные взаимодействия, которые могут в конечном итоге использоваться для топологических квантовых вычислений». «Следующим шагом будет использование комбинации топологически защищенных квантовых состояний и сильных взаимодействий для создания новых квантовых состояний вещества, таких как топологические сверхпроводники», - сказал Дирк Морр, профессор физики в Иллинойском университете в Чикаго и старший теоретик по бумага. «Их экстраординарные свойства могут открыть беспрецедентные возможности для реализации топологических квантовых битов». Это исследование было соавтором Ю. Лю, Анжана Сумьянараянана, Пенченга Чена, Ян Хе, М. М. Йи, П. Ф. С. Розы, Дж. Д. Томпсона, Дэ Чжон Кима, З. Фиска, Сянфэна Вана, Джонпьера Паглионе и М. Х. Хамидиана. Электронные измерения в Гарварде и рост кристаллов гексаборида самария в Калифорнийском университете в Ирвине были поддержаны Национальным научным фондом. Рост кристаллов в Университете Мэриленда был поддержан Фондом Гордона и Бетти Мур. Магнитные измерения в Лос-Аламосской национальной лаборатории и теоретические работы в Университете Иллинойса были поддержаны Министерством энергетики.

Источник: m.vk.com

Комментарии: