Странные «тяжёлые» электроны могут стать будущим квантовых вычислений

Исследователи наблюдали образование квантовой связи тяжёлыми электронами при температурах, близких к комнатной, что указывает на новый путь для квантовых вычислений. Credit: Shutterstock

Осака, Япония — Совместная исследовательская группа из Японии наблюдала «тяжёлые фермионы» — электроны с резко увеличенной массой, проявляющие квантовую запутанность, управляемую планковским временем — фундаментальной единицей времени в квантовой механике. Это открытие открывает захватывающие возможности для использования этого явления в твёрдотельных материалах для разработки нового типа квантового компьютера.

Тяжёлые фермионы возникают, когда электроны проводимости в твёрдом теле сильно взаимодействуют с локализованными магнитными электронами, эффективно увеличивая свою массу. Это явление приводит к необычным свойствам, таким как нетрадиционная сверхпроводимость, и является центральной темой в физике конденсированного состояния. Изученный в этом исследовании материал CeRhSn (церий-родий-олово) принадлежит к классу систем тяжёлых фермионов с квазикагоме решётчатой структурой, известной своими эффектами геометрической фрустрации.

Исследователи изучили электронное состояние CeRhSn, известное проявлением аномального поведения ферми-жидкости при относительно высоких температурах. Точные измерения спектров отражения CeRhSn выявили, что поведение, отличное от ферми-жидкости, сохраняется вплоть до температур, близких к комнатной, с временами жизни тяжёлых электронов, приближающимися к планковскому пределу. Наблюдаемое спектральное поведение, описываемое единой функцией, убедительно указывает на то, что тяжёлые электроны в CeRhSn квантово запутаны.

«Наши выводы демонстрируют, что тяжёлые фермионы в этом квантово-критическом состоянии действительно запутаны, и эта запутанность контролируется планковским временем. Это прямое наблюдение является значительным шагом на пути к пониманию сложного взаимодействия между квантовой запутанностью и поведением тяжёлых фермионов», — объясняет доктор Шин-ичи Кимура из Университета Осаки, руководивший исследованием.

Квантовая запутанность является ключевым ресурсом для квантовых вычислений, и возможность контролировать и манипулировать ею в твёрдотельных материалах, таких как CeRhSn, предлагает потенциальный путь к созданию новых архитектур квантовых вычислений. Наблюдаемый в этом исследовании предел планковского времени предоставляет критически важную информацию для проектирования таких систем. Дальнейшие исследования этих запутанных состояний могут революционизировать обработку квантовой информации и открыть новые возможности в квантовых технологиях. Это открытие не только углубляет наше понимание сильно коррелированных электронных систем, но и прокладывает путь для потенциальных применений в технологиях следующего поколения.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Осаки.

Shin-ichi Kimura, Muhammad Frassetia Lubis, Hiroshi Watanabe, Yasuyuki Shimura, Toshiro Takabatake. Anisotropic non-Fermi liquid and dynamical Planckian scaling of a quasi-kagome Kondo lattice system. npj Quantum Materials, 2025; 10 (1) DOI: 10.1038/s41535-025-00797-w