Что такое сверхпроводник и почему он необходим для квантовых компьютеров?
Сверхпроводник — это материал, который перестает оказывать электрическое сопротивление при охлаждении ниже определенной температуры. Это означает, что электроны могут проходить через материал без какого-либо сопротивления, что позволяет передавать энергию или информацию практически без потерь. Такое поведение имеет решающее значение для многих приложений, особенно для систем, требующих идеальной проводимости, таких как мощные магниты или линии передачи энергии без потерь.
В контексте квантовых компьютеров информация обрабатывается единицами, называемыми «кубитами» (квантовыми битами). В отличие от обычных битов, которые могут находиться только в состоянии 0 или 1, кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях благодаря принципам квантовой суперпозиции и чередования. Суперпозиция позволяет кубиту быть одновременно и 0, и 1, пока его не измерят, а чередование позволяет отдельным кубитам оставаться связанными и мгновенно влиять на состояние друг друга даже на расстоянии.
Для манипулирования этими кубитами используются сверхпроводники, поскольку их способность переносить информацию без сопротивления необходима для создания стабильных квантовых состояний. Однако одно из главных препятствий заключается в том, что кубиты очень чувствительны к внешним воздействиям, таким как перепады температуры или электромагнитные поля. Именно здесь на помощь может прийти усовершенствованный сверхпроводящий материал. Уменьшая декогеренцию, то есть потерю квантовой информации, улучшенный сверхпроводник может сделать вычисления более надежными и менее подверженными ошибкам, вызванным окружающей средой.
Инновационное открытие: сверхпроводник с двумерным интерфейсом
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде инновационный сверхпроводящий материал, соединив немагнитный материал под названием тригональный теллур с ультратонкой золотой пленкой. Тригональный теллур является хиральным материалом, что означает, что его молекулы не обладают зеркальной симметрией — важнейшим свойством в квантовой физике. Другими словами, ориентация его молекул напрямую влияет на его квантовые свойства, которые могут быть использованы в сложных квантовых системах, таких как компьютеры.
Соединив тригональный теллур с золотом, исследователи создали чрезвычайно чистый двумерный интерфейс между двумя материалами. Этот интерфейс особенно важен, поскольку позволяет поддерживать очень четко определенную поляризацию. Поляризация — важный параметр в квантовой физике, особенно для манипулирования кубитами. Благодаря этому свойству материал может быть использован для более точного управления кубитами, что сделает квантовые расчеты более стабильными.
Другой примечательной особенностью материала является его способность становиться более прочным при воздействии магнитного поля, что позволяет предположить, что он может быть преобразован в триплетный сверхпроводник. Этот тип сверхпроводников более устойчив к воздействию магнитных полей, чем обычные сверхпроводники, которые могут потерять свои квантовые свойства при воздействии слишком сильных полей. Обеспечивая большую устойчивость к внешним возмущениям, этот материал может повысить стабильность и надежность квантовых систем, что необходимо для разработки высокопроизводительных квантовых компьютеров.
Следующие шаги и предстоящие проблемы
Несмотря на многообещающий характер этого открытия, остается еще несколько проблем, прежде чем этот материал будет интегрирован в крупномасштабные квантовые системы. Одна из главных проблем — температура, при которой этот материал эффективно работает, часто близкая к абсолютному нулю (0 K, или -273,15 °C). Хотя материал демонстрирует высокую стабильность, еще предстоит выяснить, можно ли использовать его при более высоких температурах, что открыло бы путь к созданию квантовых компьютеров, более простых в производстве и эксплуатации.
Исследователям также предстоит продолжить проверку прочности материала в различных условиях и определить, как его можно производить в больших масштабах. Однако полученные на данный момент результаты обнадеживают и указывают на будущее, в котором этот тип сверхпроводника может сыграть ключевую роль в эволюции квантовых компьютеров.