Квантовые компьютеры называют следующей технологической революцией, так как смогут решать сложные задачи быстрее, чем традиционные компьютеры. Однако эти машины, чувствительные к перепадам температуры или электромагнитным помехам, страдают от «декогеренции». Это мешает им надежно работать. Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде сделали открытие, которое может проложить путь к созданию более прочных квантовых компьютеров: новый сверхпроводящий материал, способный значительно уменьшить декогеренцию. Этот материал может стать ключевым шагом в разработке более мощных квантовых систем.
Что представляет собой сверхпроводник и какую роль играет он в работе квантовых компьютеров?
Материал, не оказывающий электрического сопротивления при охлаждении до определенной температуры, называется сверхпроводником. Электроны в нем проходят без сопротивления, что позволяет передавать энергию и информацию практически без потерь. Это свойство важно для многих применений, особенно для систем, где требуется идеальная проводимость, например, мощных магнитов или линий передачи энергии без потерь.
Информация в квантовых компьютерах обрабатывается кубитами — квантовыми битами. В отличие от классических битов, имеющих только состояния 0 или 1, кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно благодаря суперпозиции и переплетению. Суперпозиция позволяет кубиту быть и 0, и 1 до момента измерения, а переплетение связывает отдельные кубиты, позволяя им мгновенно влиять на состояние друг друга, даже находясь на большом расстоянии.
Чтобы управлять кубитами, применяют сверхпроводники: их способность передавать информацию без сопротивления необходима для устойчивых квантовых состояний. Однако кубиты очень восприимчивы к внешним факторам, например, перепадам температуры или электромагнитным полям. В этой ситуации может помочь улучшенный сверхпроводящий материал: он сокращает декогеренцию, то есть потерю квантовой информации, делая вычисления более надёжными и стойкими к ошибкам, вызванным окружением.
Новое достижение: двухмерный сверхпроводник.
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде Инновационный сверхпроводящий материал создан путем соединения немагнитного материала, тригонального теллура, с ультратонкой золотой пленкой. Тригональный теллур — хиральный материал, то есть его молекулы не имеют зеркальной симметрии, что является ключевым свойством в квантовой физике. Ориентация молекул тригонального теллура прямо влияет на его квантовые свойства, которые могут применяться в сложных квантовых системах, например, в компьютерах.
Смешав теллур с золотом, учёные получили высокочистый двумерный интерфейс между этими материалами. Такой интерфейс важен, поскольку поддерживает чётко заданную поляризацию. Поляризация — ключевой фактор в квантовой физике, особенно при работе с кубитами. Благодаря этому свойству материал позволяет точнее управлять кубитами, что повысит стабильность квантовых вычислений.
Материал становится более прочным под действием магнитного поля, что указывает на возможность его трансформации в триплетный сверхпроводник. Такие сверхпроводники устойчивее к воздействию магнитных полей, чем обычные, которые могут утратить свои квантовые свойства при сильном поле. Высокая устойчивость материала к внешним воздействиям повысит стабильность и надежность квантовых систем, что важно для создания высокопроизводительных квантовых компьютеров.
Следующие шаги и предстоящие проблемы
Открытие многообещающее, но перед интеграцией материала в крупные квантовые системы нужно решить ряд проблем. Одна из них — низкая рабочая температура, близкая к абсолютному нулю (-273,15 °C). Несмотря на высокую стабильность, важно выяснить возможность его использования при более высоких температурах. Это позволит создать более простые в производстве и эксплуатации квантовые компьютеры.
Исследователям предстоит продолжить проверку прочности материала в разных условиях и определить способ его производства в больших объёмах. Новые результаты обнадеживают и указывают на будущее, где этот тип сверхпроводника может сыграть важную роль в эволюции квантовых компьютеров.