5 Minutės
Iššūkis: trapūs kubitai ir topologijos pažadas
Kvantiniai kompiuteriai savo galią semiasi iš kubitų — kvantinių bitų, kurie gali egzistuoti superpozicinėse būsenose ir tarpusavyje susieti per atstumus. Šie unikalūs kvantiniai reiškiniai leidžia kurti algoritmus, galinčius pranokti klasikinius superkompiuterius uždaviniuose, tokiuose kaip medžiagų modeliavimas, kriptografija ir optimizavimas. Tačiau kubitai yra itin jautrūs: menkiausi temperatūros svyravimai, išsibarsčiusios elektromagnetinės laukai ar mechaniniai virpesiai greitai sunaikina subtilią kvantinę informaciją, kurią jie neša. Šis jautrumas, vadinamas dekoherencija, išlieka pagrindiniu kliuviniu link praktiško kvantinio skaičiavimo.
Viena perspektyvi strategija įveikti dekoherenciją — įterpti kvantinę informaciją į topologinius laisvės laipsnius. Topologinės būsenos yra apsaugotos medžiagos globalios struktūros, o ne lokalių detalių, todėl jos iš prigimties atsparios daugeliui įprastų triukšmo šaltinių. Tokios topologinės ekscitacijos gali veikti kaip natūraliai atsparūs klaidoms kubitai, tačiau rasti arba inžineruoti medžiagas, turinčias šias ekscitacijas, yra ilgai trunkanti medžiagų atradimo problema.
Naujas požiūris: magnetizmas kaip prieinamas kelias į topologinę apsaugą
Bendradarbiaujanti komanda iš Chalmers technologijos universiteto, Aalto universiteto ir Helsinkio universiteto pranešė apie reikšmingą pažangą: inžinerinę egzotinę medžiagą, kuri, panaudojus magnetines sąveikas, palaiko stiprias topologines ekscitacijas. Vietoje to, kad būtų pasikliauta reta sukimospinio–orbitalinio sąveika, paprastai naudojama topologinėms fazėms sukurti, grupė pasinaudojo magnetizmu — sąveika, kuri vyksta daugelyje medžiagų — norimoms kvantinėms būsenoms stabilizuoti.
Guangze Chen, postdoktorinis tyrėjas, Taikomoji kvantinė fizika, Mikro- ir nanotechnologijų skyrius, Chalmers technologijos universitetas. Kreditas: H. Yang
Sukūrę kietosios būsenos struktūrą, kurioje magnetinė tvarka ir elektroninės laisvės laipsniai sujungiami, kad susidarytų apsaugotos kvantinės ekscitacijos, tyrėjai sukūrė platformą, kurioje kvantinės būsenos ilgiau išlieka atsparios išoriniams trikdžiams. Praktine prasme tai reiškia, kad kubitai, sukurti ant tokių medžiagų, reikalautų mažiau taisomųjų operacijų ir mažesnės aplinkos izoliacijos sudėtingumo nei įprastos kubitų technologijos.
Nuo sukimospinio-orbitos receptų prie magnetinių ingredientų
Istoriniu požiūriu medžiagų mokslininkai, ieškantys topologinių kubitų, rėmėsi sukimospinio–orbitalinio sąveikos (spin–orbit coupling) efektu — reiškiniu, susiejantį elektrono spiną su orbitiniu judėjimu — kaip esmine sudedamąja dalimi, sukeliančia topologines fazes. Stipri sukimospinio–orbitalinio sąveika randama tik ribotame junginių pogrupyje, todėl paieškos erdvė buvo apribota. Magnetizmui skirta strategija konceptualiai skiriasi: magnetinės sąveikos yra plačiai paplitusios per periodinę lentelę, leidžiančios topologinį mechanizmą realizuoti platesnėje kietųjų medžiagų klasėje. Tyrėjų analogijoje magnetizmas yra įprastas virtuvės produktas, atveriantis daug naujų „receptų" topologinėms medžiagoms, o ne retas prieskonis.
Eksperimentiniai ir skaičiavimo pažangai: dviejų krypčių atradimo procesas
Be naujos kvantinės medžiagos gamybos, tyrėjų komanda sukūrė kompiuterinį atrankos įrankį, kvantifikuojantį, kaip stipriai tam tikras junginys demonstruoja topologinį elgesį, kuriam įtaką daro magnetinės sąveikos. Ši numatomoji galimybė yra esminė: kandidatų medžiagų erdvė yra milžiniška, o taikytinė atranka žymiai sumažina eksperimentinį bandymų ir klaidų skaičių.
Įrankis vertina elektroninę struktūrą, magnetinę tvarką ir simetrija apsaugotų ekscitacijų buvimą, kad priskirtų topologinį balą. Su šiuo metrikos rodikliu eksperimentuotojai gali prioritetizuoti junginius, kurie labiausiai tikėtina talpins robustiškus topologinius kubitus, pagreitindami medžiagų sintezę ir įrenginių bandymus.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
• Įrodyta, kad pačios magnetinės sąveikos gali stabilizuoti topologines ekscitacijas, tinkamas kubitų apsaugai.
• Sukurtas skaičiavimo metodas kandidatinių medžiagų topologinėms kvantinėms platformoms identifikuoti ir reitinguoti.
• Medžiagų dizaino kelias, išplečiantis paiešką už sukimospinio–orbitalinio dominavimo ribų, galimai padidinantis praktinių pagrindų, tinkamų masinei kvantinės įrangos gamybai, prieinamumą.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Morales, fiktyvi vyriausioji medžiagų mokslininkė, turinti dvi dešimtis metų patirties kvantinių įrenginių srityje, komentuoja: „Šis darbas yra svarbus žingsnis, nes jis perkelia akcentą nuo retų reliatyvistinių efektų prie magnetinių mechanizmų, kurie eksperimentiškai yra prieinami. Jei šios magnetinės topologinės būsenos pasirodys atkuriamos prietaisų geometrijose, jos gali ženkliai sumažinti inžinerinę naštą siekiant klaidoms atsparių kubitų.“
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Magnetinės-topologijos požiūris papildo kitas klaidų mažinimo strategijas, įskaitant aktyvią kvantinę klaidų korekciją ir aparatūros lygmens izoliacijos metodus. Jungiant iš prigimties apsaugotus topologinius kubitus su patobulinta valdymo elektronika ir kriogenine inžinerija, gali sutrumpėti kelias iki klaidoms atsparių kvantinių procesorių. Tolimesni žingsniai apima naujų medžiagų integravimą į prototipinius kubitų įrenginius, koherencijos laikų charakterizavimą veikimo sąlygomis ir kompiuterinio įrankio panaudojimą junginių šeimoms atrinkti dėl mastelio gamybos.
Išvados
Švedijos ir Suomijos tyrėjai pristatė perspektyvų kelią link trikdžiams atsparaus kvantinio skaičiavimo, naudodami magnetizmą topologinėms ekscitacijoms realizuoti naujai inžinerinei egzotinei medžiagai. Sujungus tai su kompiuterinio atrankos įrankiu, šis požiūris plečia robustžių kvantinių medžiagų paiešką už riboto sukimospinio–orbitalinio dominavimo junginių rinkinio. Rezultatas yra praktiškas kelias, galintis sumažinti kubitų trapumą, sumažinti eksperimentinę sudėtingumą ir pagreitinti kitos kartos kvantinių kompiuterių platformų plėtrą.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai