Квантовые вычисления обладают потенциалом для существенного повышения производительности, особенно в условиях, когда закон Мура, возможно, достигает своего предела. Тем не менее, эта технология чувствительна к внешним воздействиям, способным негативно влиять на её функционирование. Международная группа исследователей разработала новый магнитный квантовый материал, который может стать решением этой проблемы.
Ученые из Технологического университета Чалмерса (Швеция), Университета Аалто и Хельсинкского университета (Финляндия) разработали материал, обладающий природной устойчивостью к факторам, влияющим на квантовые системы. Данное достижение может повысить практичность и надежность квантовых вычислений.
Проблемы квантовых состояний
На уровне квантовых явлений физические законы претерпевают изменения: частицы способны одновременно существовать в различных состояниях и оказывать влияние друг на друга на расстоянии, что не соответствует представлениям классической физики. Возможность контролировать эти состояния предоставляет перспективы для решения задач, которые не под силу даже самым современным суперкомпьютерам.
Способность квантовых частиц изменять свои состояния имеет двойственный характер. В квантовых вычислениях такие частицы, известные как кубиты, подвержены не только намеренным изменениям, но и случайным воздействиям, таким как температурные колебания, вибрации и магнитные поля. Запись данных на кубиты возможна, однако сохранение их целостности представляет собой значительную сложность.
Высокая вероятность ошибок не позволяет квантовым компьютерам стать на данный момент практическим инструментом, оставаясь в основном экспериментальной технологией.
Решение на уровне материалов
Для решения проблемы квантовых ошибок исследователи обращаются к материаловедению, стремясь найти способ защиты кубитов от внешнего воздействия. Топологические возбуждения, представляющие собой уникальные квантовые состояния, поддерживаемые структурой материала, способны повысить стабильность системы. Однако до настоящего времени не удалось обнаружить материал, который бы по своей природе обеспечивал такую защиту.
«Данный материал представляет собой принципиально новый вид экзотического квантового вещества, которое сохраняет свои характеристики даже при воздействии внешних факторов », — это подтверждает нашу гипотезу», — отмечает Гуангзе Чен, ведущий автор исследования и постдокторант, специализирующийся на прикладной квантовой физике в Чалмерсе. « Это открытие может способствовать разработке квантовых компьютеров, обладающих достаточной стабильностью для решения реальных задач ».
Использование магнитных взаимодействий вместо спин-орбитального взаимодействия
Ранее при разработке стабильных материалов для кубитов применялся эффект спин-орбитальной связи – квантовое явление, приводящее к выравниванию спина электрона с его орбитальным движением вокруг ядра. Однако, данный подход ограничен использованием лишь небольшого количества материалов.
Использование магнетизма, встречающегося значительно чаще, открывает возможность достижения подобных топологических возбуждений. Согласно результатам моделирования, устойчивые топологические состояния могут быть сформированы в одномерной решётке Кондо.
«Наше решение выгодно тем, что магнитные свойства свойственны большому количеству материалов. Это похоже на приготовление блюда из привычных ингредиентов, а не из редких и дорогих », — объясняет Чен. «Теперь появилась возможность исследовать топологические характеристики в гораздо большем количестве материалов, в том числе и в тех, которые ранее не привлекали внимания ».
В дополнение к этому, команда создала инструмент, предназначенный для анализа топологических характеристик различных материалов, что должно облегчить проведение будущих исследований.
«Мы рассчитываем, что предложенная методика позволит выявить ранее неизвестные экзотические материалы », — говорит Чен. «Это, в перспективе, позволит разработать квантовые компьютеры нового поколения, способные противостоять помехам, которые сейчас ограничивают возможности существующих систем ».
Исследование в журнале Physical Review Letters.