Новый материал показывает высокий потенциал для квантовых вычислений

Ученые приближаются к подтверждению существования экзотической квантовой частицы, называемой майорановским фермионом, что крайне важно для отказоустойчивых квантовых вычислений — типа квантовых вычислений, который устраняет ошибки во время своей работы.

Объединенная команда ученых из Университета Калифорнии, Риверсайда и Массачусетского технологического института все ближе приближается к подтверждению существования экзотической квантовой частицы под названием майорановский фермион, крайне важной для отказоустойчивых квантовых вычислений — типа квантовых вычислений, которые устраняет ошибки при его работе.

Квантовые вычисления используют квантовые явления для выполнения вычислений. Майорановские фермионы существуют на границе специальных сверхпроводников, называемых топологическими сверхпроводниками, которые имеют сверхпроводящую щель в своих внутренностях и скрывают майорановские фермионы снаружи, на своих границах. Майорановские фермионы являются одним из наиболее востребованных объектов в квантовой физике, потому что они являются собственными античастицами, они могут разбить квантовое состояние электрона пополам, и они следуют другой статистике по сравнению с электронами. Хотя многие утверждали, что идентифицировали их, ученые все еще не могут подтвердить их экзотическую квантовую природу.

Команда UCR-MIT преодолела эту проблему, разработав новую систему гетероструктурных материалов на основе золота, которая потенциально может быть использована для демонстрации существования и квантовой природы майорановских фермионов. Гетероструктурные материалы состоят из слоев разнородных материалов, которые вместе демонстрируют совершенно разные функциональные возможности по сравнению с их отдельными слоями.

«Очень нетривиально найти материальную систему, которая, естественно, является топологическим сверхпроводником», — сказал Пэн Вэй, доцент кафедры физики и астрономии и экспериментатор по конденсированным веществам, который возглавлял исследование в « Письмах физического обзора» вместе с Jagadeesh. Мудера и Патрик Ли из МТИ. «Материал должен удовлетворять нескольким строгим условиям, чтобы стать топологическим сверхпроводником».

Предполагается, что майорановский фермион, считающийся половиной электрона, находится на концах топологической сверхпроводниковой нанопроволоки. Интересно, что два майорановских фермиона могут объединяться друг с другом, образуя один электрон, что позволяет хранить нелокальные квантовые состояния электрона, что является преимуществом для отказоустойчивых квантовых вычислений.

В 2012 году теоретики MIT во главе с Ли предсказали, что гетероструктуры золота могут стать топологическим сверхпроводником при строгих условиях. Эксперименты, проведенные командой UCR-MIT, позволили создать все необходимые условия для гетероструктур золота.

«Достижение такой гетероструктуры требует больших усилий, потому что сначала необходимо решить несколько задач физики материалов», — сказал Вей, выпускник UCR, который вернулся в кампус в 2016 году из Массачусетского технологического института.

Вей объяснил, что в работе показано, что сверхпроводимость, магнетизм и спин-орбитальная связь электронов могут сосуществовать в золоте — трудная задача для решения — и смешиваться вручную с другими материалами через гетероструктуры.

«Сверхпроводимость и магнетизм обычно не сосуществуют в одном материале», — сказал он. Он добавил, что золото не является сверхпроводником, и на его поверхности нет и электронных состояний.

«Наша статья впервые показывает, что сверхпроводимость может быть доведена до поверхностных состояний золота, что требует новой физики», — сказал он. «Мы показываем, что возможно сделать поверхностное состояние золота сверхпроводником, чего раньше никогда не было».

В работе также показано, что электронная плотность сверхпроводимости в поверхностных состояниях золота может быть настроена.

«Это важно для будущих манипуляций с майорановскими фермионами, необходимых для улучшения квантовых вычислений», — сказал Вэй. «Кроме того, поверхностное состояние золота представляет собой двумерную систему, которая естественным образом масштабируется, что означает, что она позволяет создавать фермионные контуры Майораны».