Квантовые компьютеры могут существенно повысить вычислительную мощь в условиях, когда закон Мура приближается к пределу. Вместе с тем эта технология подвержена внешним помехам, нарушающим работу. Разработанный международной группой учёных новый магнитный квантовый материал может устранить эту проблему.
Учёные из Технологического университета Чалмерса (Швеция), Университета Аалто и Хельсинкского университета (Финляндия) разработали материал, устойчивый к воздействиям, которые могут нарушить работу квантовых систем. Это открытие может сделать квантовые вычисления более практичными и надёжными.
Проблемы квантовых состояний
На квантовом уровне физические законы претерпевают изменения: частицы способны существовать в нескольких состояниях одновременно и взаимодействовать на расстоянии, что несовместимо с классической физикой. Возможность управления этими состояниями открывает решения для задач, недоступных даже самым мощным суперкомпьютерам.
Способность квантовых частиц изменять состояния — двойное лезвие. В квантовых вычислениях такие частицы называют кубитами. Кубиты подвержены не только преднамеренным изменениям, но и случайным помехам: колебаниям температуры, вибрациям и магнитным полям. Записать данные на кубиты возможно, но сохранить их без искажений — серьезная проблема.
В результате часто возникают ошибки, что делает квантовые компьютеры пока больше экспериментом, чем реальным средством.
Решение на уровне материалов
Для решения проблемы квантовых ошибок исследователи обращаются к материаловедению, ищут способ защитить кубиты от внешнего воздействия. Топологические возбуждения, особые квантовые состояния, поддерживаемые структурой материала, могут повысить стабильность системы. Но пока не удалось найти материал, который естественным образом обеспечивал бы такую защиту.
«Это абсолютно новый вид экзотического квантового вещества, которое удерживает характеристики даже при влиянии внешних возмущений. — Заявляет ведущий автор исследования Гуангзе Чен, постдокторант в области прикладной квантовой физики в Чалмерсе. Его вклад может привести к созданию квантовых компьютеров, надёжных для практического применения. ».
Магнитный эффект вместо взаимодействия спина и орбиты.
Ранее создание стабильного материала для кубитов осуществлялось с использованием спин-орбитальной связи — квантового эффекта, упорядочивающего спин электрона и его орбиту вокруг ядра. Такой метод применим лишь к узкому спектру материалов.
Новый метод основан на использовании магнетизма, который распространённее и способен создавать схожие топологические возбуждения. Моделирование показало, что устойчивые топологические состояния могут быть сформированы в одномерной сети Кондо.
«Наша методика хороша тем, что магнитность свойственна большим количеством материалов. Это как готовить из привычных продуктов, а не редких специй. », — объясняет Чен. «Теперь поиск топологических свойств возможен для значительно большего числа материалов, даже тех, которые ранее не рассматривались. ».
Команда создала инструмент для анализа topological свойств разных материалов, что облегчит будущие исследования.
«Наш метод может способствовать обнаружению новых экзотических материалов. », — говорит Чен. «Это в итоге может поспособствовать разработке новых поколений квантовых компьютеров, устойчивых к помехам, затрудняющим работу современных систем. ».
Исследование в журнале Physical Review Letters.