Ученые совершили прорыв в квантовых вычислениях благодаря новому "невозможному" материалу

Исследователи Ратгерского университета в Нью-Брансуике создали «невозможную» квантовую структуру, которая может открыть путь к новым разработкам в области стабильных и сложных квантовых компьютеров.

Инновационный метод разработки и изготовления сэндвича из атомных слоев, содержащих титанат диспрозия и иридат пирохлора, позволяет сочетать уникальные возможности каждого материала. Материалы называют «невозможными», если их создание превышает существующие возможности изготовления или не соответствует ожидаемому поведению. В случае с этими двумя материалами каждый из них обладает свойствами, которые бросают вызов нашему современному пониманию квантовой физики.

Q-DiP — прорыв в инновациях

Профессор Рутгерского университета Джак Чахалян возглавил команду, которая провела новое исследование, занявшее четыре года. В 2023 году его группа разработала новый инструмент — Платформу для открытия квантовых явлений (Q-DiP), чтобы создать свой «атомный сэндвич». Q-DiP состоит из двух лазеров: один для нагрева, другой — для сборки материалов на атомном уровне. Совместное использование лазеров позволяет исследовать материалы при температурах, близких к абсолютному нулю.

Граница, где два «невозможных» материала встречаются на атомном уровне, представляет собой новую экзотическую область для квантовой механики — науки о движении и взаимодействии субатомных частиц. Объединение двух таких материалов в необычной структуре открывает новые возможности для квантовых компьютеров и сенсоров.

Суперпозиция — одно из странных явлений квантовой механики — позволяет квантовым битам (кубитам) находиться в нескольких состояниях одновременно. Эта способность лежит в основе квантовых вычислений, обеспечивая высокоэффективные сложные расчёты.

Ещё одна важная тема в квантовой механике — корпускулярно-волновой дуализм, явление, при котором объекты могут вести себя и как волны, и как частицы. Этот дуализм уже играет ключевую роль в лазерах, транзисторах и МРТ-технологиях, а в будущих квантовых компьютерах позволит добиться ещё большей сложности.

Однополярные магниты

Титанат диспрозия, также известный как спиновый лёд, обладает уникальными свойствами, полезными для генерации неуловимых магнитных монополей через квантовые взаимодействия и улавливания радиации в ядерных реакторах. Магнитные монополи возникают из крошечных магнитов, встроенных в структуру материала и расположенных в узоре, напоминающем водяной лёд.

Магнитные монополи — загадочные частицы, которые в природе не встречаются в свободной форме, но были предсказаны нобелевским лауреатом Полем Дираком в 1931 году. Их называют «монополями», потому что у них только один полюс (северный или южный), в отличие от обычных магнитов, у которых их два.

Необычные квантовые свойства

Магнитный полуметалл иридат пирохлора обладает необычными электронными, топологическими и магнитными свойствами и в основном используется в экспериментальных исследованиях.

За два года до Дирака, в 1929 году, Герман Вейль предсказал теоретическую частицу — фермион Вейля. Однако только в 2015 году учёные обнаружили эту релятивистскую частицу в кристаллах. Фермионы Вейля движутся как свет, могут вращаться влево или вправо и устойчивы к возмущениям. Они обеспечивают иридату пирохлора отличную проводимость и вызывают необычные реакции на магнитные поля, а также особые эффекты от электромагнитных полей.

Будущее квантовых вычислений

«Эта работа предлагает новый способ создания полностью искусственных двумерных квантовых материалов, которые могут продвинуть квантовые технологии и дать более глубокое понимание их фундаментальных свойств — так, как раньше было невозможно», — сказал Чахалян.

Экзотический материал, разработанный командой Чахаляна, сочетает высокую стабильность с необычными состояниями, что может стать значительным прорывом для квантовых вычислений. Хотя квантовые компьютеры пока находятся в зачаточном состоянии, исследователи полагают, что в конечном итоге они революционизируют обработку информации, ускорив развитие ИИ и других научных направлений.

«Это исследование — большой шаг вперед в синтезе материалов, способный существенно повлиять на создание квантовых сенсоров и развитие спинтронных устройств», — заявил он.