Физики приблизились к созданию топологических кубитов

МОСКВА, 17 дек — РИА Новости. Ученым удалось впервые получить квантовые состояния Майораны в двумерном сверхпроводящем материале. Это еще один шаг на пути создания топологических кубитов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Основу квантового компьютера составляют кубиты — элементы для хранения и обработки информации. Кубиты, которые используют в современных квантовых процессорах, например, в процессоре Sycamore компании Google, очень чувствительны к шуму и помехам, которые создает окружение компьютера, что вносит ошибки в вычисления.

Поэтому ученые стремятся создать устойчивые к внешним воздействиям кубиты, находящиеся в топологическом, "ненарушаемом" состоянии. Гипотезу о существовании устойчивых топологических частиц, одновременно являющихся собственными античастицами, высказал еще в 1937 году итальянский физик Этторе Майорана, а сами гипотетические частицы получили название фермионов Майораны.

Ключом к их созданию могут стать одномерные режимы, или моды Майораны с нулевой энергией (MZM — Majorana zero energy modes). Теоретически, MZM — это группы электронов, связанных друг с другом таким образом, что они ведут себя подобно фермионам Майораны. Если бы их удалось получить, они работали бы как топологический кубит.

Физики из Финляндии и Польши под руководством профессора Питера Лильерота (Peter Liljeroth) из Университета Аалто для создания этих неуловимых квантовых состояний разработали новый ультратонкий материал — двумерный топологический сверхпроводник, обладающий свойствами, возникающими на границе магнитного электрического изолятора и сверхпроводника.

Речь идет о спине. В магнитном материале спин выровнен в одном направлении. Соединение магнита и сверхпроводника обычно разрушает выравнивание спинов. Однако в двухмерных слоистых материалах взаимодействия между материалами достаточно, чтобы "наклонить" спины атомов настолько, чтобы они создали определенное состояние, называемое спин-орбитальным взаимодействием Рашбы, необходимое для получения MZM.

"Если вы просто поместите магнит на сверхпроводник, он перестанет быть сверхпроводником, — приводятся в пресс-релизе Университета Аалто слова первого автора статьи доктора Шавулиену Кезилебике (Shawulienu Kezilebieke). — Взаимодействие между материалами нарушает их свойства, но для создания MZM нужно, чтобы материалы немного взаимодействовали. Хитрость в том, чтобы использовать 2D-материалы: они взаимодействуют друг с другом ровно настолько, чтобы придать свойства, необходимые для MZM, но не настолько, чтобы мешать друг другу".

Полученный авторами топологический сверхпроводник состоит из слоя бромида хрома — материала, который остается магнитным даже при толщине всего в один атом. Исследователи вырастили островки бромида хрома на вершине сверхпроводящего кристалла диселенида ниобия и измерили их электрические свойства с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

"Необходимо было провести моделирование, чтобы доказать, что сигнал, который мы видим, вызван именно MZM, а не какими-то другими эффектами", — говорит еще один автор исследования профессор Адам Фостер (Adam Foster) из Университета Аалто.

Полученные результаты однозначно подтвердили, что ученым удалось создать одномерные MZM в ультратонком двумерном материале. Следующим шагом будет попытка превратить их в топологические кубиты.