Вчені знайшли матеріал що десятиліттями шукали для квантових комп’ютерів

Квантові комп’ютери обіцяють революцію в обчисленнях — але їх найбільша слабкість досі криється в матеріалах. Найменший шум, вібрація чи теплове збурення знищує крихкі квантові стани та породжує помилки. Тепер у новому дослідженні, про яке повідомляє SciTechDaily, фізики Норвезького університету природничих і технічних наук (NTNU) заявили, що могли виявити так званий триплетний надпровідник — матеріал, за яким наука полює вже кілька десятиліть. Якщо відкриття підтвердиться, воно може докорінно змінити архітектуру квантових пристроїв і відкрити шлях до комп’ютерів, що споживають майже нульову кількість енергії.

Що відомо коротко

• Дослідження проведено в QuSpin — провідному дослідницькому центрі квантових матеріалів при NTNU, Норвегія.
• Підозрюваний матеріал — сплав NbRe (ніобій-реній), обидва метали є рідкісними перехідними елементами.
• У тришаровій структурі з NbRe електричний опір поводився протилежно до того, як це роблять звичайні надпровідники.
• Матеріал демонструє ознаки передачі не лише електричного струму, але й спіну електронів — без будь-якого опору.
• Температура переходу NbRe в надпровідний стан складає близько 7 Кельвін, що є відносно досяжним значенням.

Що таке триплетний надпровідник і чому він особливий

Щоб зрозуміти значення відкриття, треба знати, чим один надпровідник відрізняється від іншого. Усі відомі до цього часу надпровідники є так званими синглетними: електрони в них рухаються парами, де спіни спрямовані в протилежні боки й компенсують один одного. Через це такі матеріали передають лише електричний заряд без втрат, але не здатні передавати магнітну інформацію — спін.

Триплетний надпровідник — це зовсім інша річ. У ньому електронні пари зберігають однаковий напрямок спіну. Це означає, що матеріал може одночасно передавати і електричний струм, і спінові струми — і все це з нульовим опором та без виділення тепла. Це, власне, і є «святий Грааль» квантової технології.

«Матеріали, що є триплетними надпровідниками, — це своєрідний “святий Грааль” у квантових технологіях, і зокрема у квантових обчисленнях», — пояснює професор Якоб Ліндер.

Деталі відкриття

Команда під керівництвом професора Якоба Ліндера з фізичного факультету NTNU зібрала тришарову металеву структуру: тонка плівка сплаву NbRe між двома магнітними шарами, які можна налаштувати в паралельному або антипаралельному напрямку. Саме така конфігурація є стандартним тестом: якщо матеріал є синглетним надпровідником, опір зростає при паралельних магнітах. Але NbRe поводився інакше.

«У нашій опублікованій статті ми демонструємо, що матеріал NbRe виявляє властивості, сумісні з триплетною надпровідністю», — зазначив Ліндер.

Отриманий результат поки не є остаточним підтвердженням. Вчені самі застерігають від передчасних висновків: знахідку необхідно відтворити в інших незалежних лабораторіях, а також провести додаткові тести саме на триплетну природу надпровідності. Проте вже сам факт отримання відповідного сигналу є визначною подією — адже надійних кандидатів у триплетні надпровідники у фізиці до цього часу майже не існувало.

Що показали нові спостереження

Практичне значення відкриття є одразу двовимірним. По-перше, триплетні надпровідники відкривають нові можливості для спінтроніки — напрямку, де інформація переноситься магнітними властивостями електронів, а не лише їхнім зарядом. Такі пристрої могли б зберігати дані з набагато меншими витратами енергії, ніж сучасна флеш-пам’ять.

По-друге, і це ключово для квантових обчислень, спінові струми без опору означають можливість передавати керуючі сигнали між кубітами, не вносячи при цьому теплового шуму — одного з головних ворогів стабільності. Саме ця нестабільність нині змушує інженерів охолоджувати квантові процесори до температур, близьких до абсолютного нуля, і витрачати величезні ресурси на корекцію помилок. Схожу проблему нещодавно вирішували й дослідники, керуючи квантовими станами окремих молекул.

Чому це важливо для науки

Квантові комп’ютери вже демонструють потужність: наприклад, квантовий Eagle від IBM перевершив суперкомп’ютер у складній математиці. Але навіть такі системи залишаються крихкими, дорогими у підтримці та прив’язаними до громіздких кріогенних установок. Триплетний надпровідник міг би змінити саму фізичну основу цих пристроїв.

Ліндер наголошує: «Одним із головних викликів у квантових технологіях є здатність виконувати обчислювальні операції з достатньо високою точністю». Передача спіну без втрат — саме той механізм, який дозволив би мінімізувати шум і скоротити кількість помилок без надмірного ускладнення архітектури. Якщо NbRe підтвердить свою природу, це вплине не лише на квантові обчислення, а й на всю область квантових матеріалів, де вчені вже навчилися моделювати матерію Всесвіту на рівні кубітів.

Цікаві факти

• Перший триплетний надпровідник у теорії був передбачений ще в 1970-х роках, але підтвердити його існування вченим не вдавалося десятиліттями — через надзвичайну чутливість до зовнішніх магнітних полів і домішок. Про стан квантових технологій у контексті цього пошуку йдеться у огляді журналу Science.
• Ніобій — той самий метал, що використовується у надпровідних магнітах для прискорювачів частинок CERN і в медичних МРТ-апаратах; реній є одним із найрідкісніших елементів земної кори з річним видобутком менше 60 тонн, за даними USGS.
• Температура переходу NbRe в надпровідний стан — близько 7 К (мінус 266 °С) — значно вища, ніж у більшості матеріалів для квантових чіпів, де потрібні температури нижче 0,02 К, що здешевило б охолодження у сотні разів.
• Спінтроніка вже дала практичний результат: технологія гігантського магнетоопору, на якій засновані сучасні жорсткі диски, у 2007 році була відзначена Нобелівською премією з фізики, — а триплетні надпровідники можуть стати для неї тим самим, чим транзистор став для електроніки.

FAQ

Що таке спін електрона і чому він важливий для квантових комп’ютерів? Спін — це квантова властивість електрона, яку можна вважати аналогом магнітного «напрямку». У квантових комп’ютерах спін можна використовувати як одиницю інформації — кубіт. Якщо передавати спін без втрат, можна будувати надійніші та енергоефективніші квантові схеми.

Чи є NbRe вже готовим до застосування в реальних пристроях? Ні. Результат потребує незалежного підтвердження в інших лабораторіях і додаткових тестів. Навіть після підтвердження матеріал потрібно навчитися наносити у вигляді тонких плівок, сумісних із сучасними технологіями виробництва квантових чіпів.

Де проводилося дослідження і де можна прочитати оригінальну статтю? Дослідження виконане в центрі QuSpin Норвезького університету природничих і технічних наук (NTNU). Оригінальна публікація доступна на сервері препринтів і пов’язана з роботами групи Якоба Ліндера, яка спеціалізується на квантових матеріалах і спінтроніці.

Фізики знайшли матеріал що може змінити квантові комп’ютери з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com