Простой магнитный трюк может навсегда изменить квантовые вычисления

Иллюстрация новой стратегии создания материалов с устойчивыми квантовыми свойствами с использованием магнитных взаимодействий (представлены красными и синими стрелками). Маленькие зелёные сферы обозначают места, где могут находиться электроны и перемещаться вдоль цепочки. Специальные магнитные атомы (фиолетовые сферы со стрелками) взаимодействуют с электронами в определённых местах, показанных голубоватыми облаками. Эти взаимодействия создают защищённые краевые состояния (зелёное облако), которые могут помочь сделать квантовые компьютеры более стабильными и менее чувствительными к шумам. Автор: Хосе Л. Ладо.

Внедрение квантовых компьютеров в общество сегодня сдерживается их чувствительностью к внешним помехам. Исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция), а также Университета Аалто и Хельсинкского университета (Финляндия) представили новый тип экзотического квантового материала и метод, использующий магнетизм для создания стабильности. Этот прорыв может сделать квантовые компьютеры значительно более устойчивыми, открывая путь к их практическому применению для выполнения сложных квантовых вычислений.

На атомном уровне законы физики отличаются от тех, что действуют в нашем макроскопическом мире. Частицы подчиняются законам квантовой физики, что означает их способность существовать в нескольких состояниях одновременно и влиять друг на друга способами, невозможными в классической физике. Эти необычные, но мощные явления лежат в основе квантовых вычислений и квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные даже самым мощным суперкомпьютерам.

Однако перед тем, как квантовые вычисления смогут принести практическую пользу, физикам предстоит решить серьёзную проблему. Кубиты — базовые элементы квантового компьютера — чрезвычайно хрупки. Малейшие изменения температуры, магнитного поля или даже микроскопические вибрации приводят к потере квантовых состояний кубитов, а значит, и их способности выполнять сложные вычисления надёжно.

Для решения этой проблемы в последние годы исследователи начали изучать возможность создания материалов, которые могут обеспечить лучшую защиту от подобных помех и шумов благодаря своей фундаментальной структуре — топологии. Квантовые состояния, возникающие и поддерживаемые структурой материала, используемого в кубитах, называются топологическими возбуждениями и значительно более стабильны и устойчивы. Однако остаётся сложной задачей найти материалы, естественным образом поддерживающие такие устойчивые квантовые состояния.

Новый материал защищает от помех

Теперь исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса, Университета Аалто и Хельсинкского университета разработала новый квантовый материал для кубитов, демонстрирующий устойчивые топологические возбуждения. Этот прорыв — важный шаг на пути к созданию практических топологических квантовых компьютеров, где стабильность заложена в самом дизайне материала.

«Это совершенно новый тип экзотического квантового материала, способного сохранять свои квантовые свойства под воздействием внешних помех. Он может способствовать разработке квантовых компьютеров, достаточно устойчивых для выполнения практических квантовых вычислений», — говорит Гуангзе Чен, постдокторант в области прикладной квантовой физики в Чалмерсе и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters.

Термин «экзотические квантовые материалы» объединяет несколько новых классов твёрдых тел с экстремальными квантовыми свойствами. Поиск таких материалов с особыми устойчивыми свойствами долгое время оставался сложной задачей.

Магнетизм — ключ к новой стратегии

Традиционно исследователи следовали устоявшемуся «рецепту», основанному на спин-орбитальном взаимодействии — квантовом эффекте, связывающем спин электрона с его орбитой вокруг атомного ядра для создания топологических возбуждений. Однако этот «ингредиент» относительно редок, и метод может применяться лишь к ограниченному числу материалов.

В новом исследовании команда представила совершенно новый метод, использующий магнетизм — гораздо более распространённый и доступный ингредиент — для достижения того же эффекта. Используя магнитные взаимодействия, учёные смогли создать устойчивые топологические возбуждения, необходимые для топологических квантовых вычислений.

«Преимущество нашего метода в том, что магнетизм естественным образом присутствует во многих материалах. Это можно сравнить с приготовлением блюда из обычных ингредиентов вместо редких специй», — объясняет Гуангзе Чен. «Теперь мы можем искать топологические свойства в гораздо более широком спектре материалов, включая те, что ранее игнорировались».

Открытие пути к платформам квантовых компьютеров следующего поколения

Для ускорения поиска новых материалов с полезными топологическими свойствами исследовательская группа также разработала новый вычислительный инструмент. Он позволяет напрямую рассчитывать степень проявления топологического поведения в материале.

«Мы надеемся, что этот подход поможет в открытии множества новых экзотических материалов», — говорит Гуангзе Чен. «В конечном итоге это может привести к созданию платформ квантовых компьютеров следующего поколения, основанных на материалах, естественным образом устойчивых к помехам, которые мешают современным системам».

Источники: sciencedaily.com, Chalmers University of Technology