Создан материал для хранения и передачи квантовой информации

МОСКВА, 17 сен — РИА Новости. Ученые из компании Microsoft и Копенгагенского университета разработали особый материал — топологический сверхпроводник, необходимый для квантового компьютера нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Для хранения и передачи квантовой информации ее носители — кубиты — должны находиться в устойчивом когерентном состоянии. Но даже в квантовой системе, состоящей всего из нескольких кубитов, оно тут же разрушается из-за малейшего электромагнитного шума или любых других случайных воздействий окружающей среды. Изолировать систему от воздействия извне — невероятно трудная задача.

Решить ее можно было бы создав устойчивые к внешним воздействиям кубиты, находящиеся в топологическом, "ненарушаемом" состоянии. Гипотезу о существовании таких устойчивых частиц, одновременно являющихся собственными античастицами, высказал еще в 1937 году итальянский физик Этторе Майорана. А в 2016 году за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества Нобелевская премия по физике была присуждена трем британским ученым.

Для практического достижения состояний, близких к топологическим модам Майораны, ученые вынуждены помещать систему в сверхмощное магнитное поле, причем каждый ее сегмент должен быть точно выровнен по направлению поля. И все это — при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Понятно, что такие технические ограничения сильно мешают реализации идеи квантовых вычислений.

Исследователи из лаборатории квантовых материалов Microsoft и Копенгагенского университета разработали материал, в котором, как утверждают авторы, можно получить топологическую фазу без магнитного поля.

Материал состоит из трех слоев: сверхпроводящего алюминия; полупроводника — арсенида индия и ферромагнетика — сульфида европия. Именно добавка последнего позволила ученым создать материал, который можно использоваться в качестве носителя квантовой информации, защищенной от декогеренции.

Тонкий слой сульфида европия индуцирует естественное магнитное поле в десять тысяч раз более сильное, чем магнитное поле Земли. Этого достаточно, чтобы в сверхпроводниковом и полупроводниковом компонентах возникла топологическое состояние.

© Charles Marcus

Новый материал, состоящий из трех слоев: сверхпроводящего алюминия (Al), сульфида европия (EuS) и арсенида индия (InAs). Справа - электронная микрофотография квантового провода длиной два микрометра

"Комбинация компонентов в тройной гибрид — монокристалл-полупроводник, сверхпроводник и ферромагнитный изолятор — это новшество, — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова одного из авторов разработки, профессора Чарльза Маркуса (Charles Marcus). — Прекрасная новость, что при низкой температуре он дает топологический сверхпроводник. Это открывает путь к созданию компонентов для топологических квантовых вычислений и открывает физикам новую систему для исследований".

Авторы отмечают, что следующим шагом должно стать получение реального рабочего кубита. До сих пор физики работали над теорией топологических квантовых компьютеров, а теперь можно приступать к разработке реального устройства.