Квантовые компьютеры способны значительно увеличить вычислительную мощность, особенно в эпоху, когда закон Мура, возможно, приближается к своему пределу. Однако эта технология остается уязвимой к внешним помехам, которые нарушают её работу. Новый магнитный квантовый материал, разработанный международной группой учёных, может решить эту проблему.
Исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция), Университета Аалто и Хельсинкского университета (Финляндия) создали материал, который естественным образом устойчив к воздействиям, способным нарушить работу квантовых систем. Это открытие может сделать квантовые вычисления более практичными и надежными.
На квантовом уровне законы физики меняются: частицы могут одновременно находиться в нескольких состояниях и взаимодействовать на расстоянии, что противоречит классической физике. Управление этими состояниями открывает возможности для решения задач, недоступных даже самым мощным суперкомпьютерам.
Однако способность квантовых частиц менять состояния — это палка о двух концах. В квантовых вычислениях такие частицы называются кубитами, и они подвержены не только преднамеренным изменениям, но и случайным помехам — температурным колебаниям, вибрациям и магнитным полям. Хотя записать данные на кубиты возможно, сохранить их без искажений — серьёзная проблема.
Это приводит к высокому уровню ошибок, из-за чего квантовые компьютеры пока остаются скорее экспериментальной технологией, чем практическим инструментом.
Чтобы решить проблему квантовых ошибок, учёные обратились к материаловедению, пытаясь найти способ защитить кубиты от внешних воздействий. Топологические возбуждения — особые квантовые состояния, поддерживаемые структурой материала, — могут повысить стабильность системы. Однако до сих пор не удавалось найти материал, который естественным образом обеспечивал бы такую защиту.
«Это совершенно новый тип экзотического квантового материала, способного сохранять свои свойства даже под воздействием внешних помех», — говорит ведущий автор исследования Гуангзе Чен, постдокторант в области прикладной квантовой физики в Чалмерсе. «Он может помочь создать квантовые компьютеры, достаточно устойчивые для практических вычислений».
Магнитный подход вместо спин-орбитальной связи Предыдущие попытки создать устойчивый материал для кубитов основывались на спин-орбитальной связи — квантовом эффекте, который выравнивает спин электрона с его орбитой вокруг ядра. Однако этот метод применим лишь к ограниченному числу материалов.
Новый подход использует магнетизм, который встречается гораздо чаще и позволяет добиться аналогичных топологических возбуждений. С помощью моделирования учёные обнаружили, что устойчивые топологические состояния можно создать в одномерной решётке Кондо.
«Преимущество нашего метода в том, что магнетизм присущ многим материалам. Это как готовить из обычных продуктов, а не экзотических специй», — объясняет Чен. «Теперь мы можем искать топологические свойства в гораздо более широком спектре материалов, включая те, что раньше игнорировались».
Кроме того, команда разработала инструмент для анализа топологических свойств различных материалов, что упростит дальнейшие исследования.
«Мы надеемся, что наш подход поможет открыть новые экзотические материалы», — говорит Чен. «В конечном итоге это может привести к созданию квантовых компьютеров следующего поколения, устойчивых к помехам, которые мешают современным системам».