Нове дослідження розкриває приховану поведінку надпровідників

Дослідники виявили, як ферміони Флоке Майорани можуть покращити квантові обчислення, керуючи надпровідними струмами, потенційно зменшуючи помилки та підвищуючи стабільність. Нове дослідження показало суттєве розуміння поведінки потоку електричного струму в надпровідниках, що може сприяти прогресу в контрольованій квантовій обробці інформації.

У співавторстві з Бабаком Сераджехом, професором фізики в Університеті Індіани Блумінгтон, а також фізиками-теоретиками Рекхою Кумарі та Аріджітом Кунду з Індійського технологічного інституту Канпура, дослідження є переважно теоретичним, але підтверджується чисельним моделюванням. У дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters, провідному фізичному журналі, розглядаються ферміони Флоке-Майорани та їхня роль в ефекті Джозефсона — явищі, яке може дозволити точніше контролювати динаміку керованих квантових систем.

Потенційний прогрес квантових обчислень

Розробці повноцінного квантового комп’ютера заважає основна проблема: нестабільність. Ця нестабільність в основному пов’язана з чимось, що називається «квантовою декогеренцією», коли квантові біти, відомі як «кубіти», втрачають свій делікатний квантовий стан через втручання з їхнього середовища, наприклад коливання температури або електромагнітний шум.

Кубіти можна створювати за допомогою різних фізичних систем, таких як захоплені іони, оптичні матриці або надпровідники — матеріали, які можуть проводити електрику з нульовим опором без втрати енергії, часто за надзвичайно низьких температур, близьких до абсолютного нуля . Це робить квантові комп’ютери неймовірно енергоємними для охолодження, а отже, стабільними, тому що коли кубіти недостатньо охолоджені, вони стають ще більш нестабільними, що означає, що помилки трапляються у більшій кількості та частіше.

Один із способів протистояти таким помилкам — шукати «надпровідники кімнатної температури», які часто називають Святим Граалем надпровідності, оскільки процес охолодження дуже дорогий і складний. Якщо вчені зможуть розробити матеріали, які виявлятимуть надпровідність, близьку до кімнатної температури (приблизно 20-25 градусів за Цельсієм або 68-77 градусів за Фаренгейтом), це може революціонізувати технологію, яку ми знаємо, зрештою призвести до передачі електроенергії без втрат, експоненціально швидшої та енергоефективнішої електроніки та вдосконаленої криптозахисту.

Професор Сераджех та його колеги вирішують проблему декогеренції по-іншому — шляхом кодування квантової інформації нелокально, щоб вона поширювалася на більшу відстань у просторі, а отже, роблячи її несприйнятливою до локального шуму та флуктуацій.

Що робить «ферміони Флоке Майорани» особливими для квантових обчислень?

Ферміони Майорани названі на честь Етторе Майорани, італійського фізика, який вперше припустив їх існування в 1937 році як субатомних частинок, які поводяться унікальними способами; на відміну від більшості частинок, майоранівські ферміони є власними античастинками. (Для кожного типу частинок у Всесвіті, наприклад електронів і протонів, існує відповідна античастинка з протилежним зарядом і однаковою масою, і ця симетрія між частинками й античастинками є фундаментальною частиною структури Всесвіту.)

Фізик-математик Олексій Китаєв у 2000 році зрозумів, що ферміони Майорани можуть існувати не лише як елементарні частинки, але і як квантові збудження в певних матеріалах, відомих як топологічні надпровідники. Вони відрізняються від звичайних надпровідників тим, що топологічний надпровідник має унікальні, стабільні квантові стани на своїй поверхні або краях, які захищені основною топологією матеріалу — тим, як рух електронів формується на квантовому рівні.

Ці поверхневі стани роблять їх стійкими до збоїв, тому вони мають потенціал для розробки більш стабільних квантових комп’ютерів. Ці спеціальні крайові стани поводяться так само, як ферміони Майорани, яких немає у звичайних надпровідниках. Теоретично такі ферміони Майорани можна використовувати для нелокального зберігання квантової інформації, забезпечуючи таким чином спосіб захисту кубітів від декогерентності.

Професор Сераджех і його колеги досліджували ферміони Майорани в конкретному контексті: надпровідники, які «періодично керуються», тобто піддаються впливу зовнішніх джерел енергії, які циклічно вмикаються і вимикаються за повторюваною схемою. Цей періодичний рух змінює поведінку ферміонів Майорани, перетворюючи їх на «ферміони Флоке Майорани» (FMF). Ферміони Флоке-Майорани можуть існувати в різних станах, неможливих без періодичного приводу, змінюючись на основі їх взаємодії з циклічним джерелом енергії. Періодичне керування надпровідником є ​​ключовим для підтримки FMF та незвичайних візерунків, які вони створюють.

Щоб створити електричний струм у звичайних провідниках між двома точками, потрібно застосувати напругу, яка діє як тиск, який штовхає електрику між двома точками. Але через особливий процес квантового тунелювання, відомий як «ефект Джозефсона», струм може протікати між двома надпровідниками без необхідності прикладеної напруги. FMF впливають на цей струм Джозефсона унікальним чином. У більшості систем струм між двома надпровідниками повторюється через рівні проміжки часу. Однак FMF проявляються у формі струму, який коливається з половиною нормальної швидкості, створюючи унікальний підпис, який може допомогти у їх виявленні.

Налаштування течії новими техніками

Одним із ключових висновків дослідження Сераджеха та його колег є те, що силу джозефсонівського струму — величину електричного потоку — можна регулювати за допомогою «хімічного потенціалу» надпровідників. Простіше кажучи, хімічний потенціал діє як циферблат, який регулює властивості матеріалу, і дослідники виявили, що його можна змінити шляхом синхронізації з частотою зовнішнього джерела енергії, що керує системою. Це може надати вченим новий рівень контролю над квантовими матеріалами та відкриває можливості для застосувань у квантовій обробці інформації, де точне маніпулювання квантовими станами має вирішальне значення.

Відкриття того, що ферміони Флоке Майорани мають унікальні властивості, якими можна керувати через зовнішні накопичувачі, може допомогти прокласти шлях для створення квантових комп’ютерів, які будуть швидшими та стійкішими до помилок. Ці знахідки дають дослідникам у всьому світі дорожню карту для виявлення та дослідження нових керованих властивостей керованих квантових систем.