Новая эра сверхпроводимости: Как дителлурид урана может повлиять на развитие квантовых вычислений
Исследователи обнаружили пространственно-модулированное сверхпроводящее состояние в дителлуриде урана — новом и необычном сверхпроводнике. Это открытие может иметь огромное значение для квантовых вычислений, обеспечивая решение одной из самых сложных задач. (Концепция художника.)
Ученые из Университетского колледжа Корка обнаружили уникальное сверхпроводящее состояние в дителлуриде урана, которое может открыть путь к созданию более стабильных и эффективных квантовых компьютеров. Это революционное открытие позволяет решить одну из наиболее серьезных проблем квантовых вычислений и представляет собой значительный шаг вперед в данной области.
Ученые, использующие один из самых мощных в мире квантовых микроскопов, сделали открытие, которое может иметь значительные последствия для будущего вычислительной техники.
Исследователи из лаборатории Macroscopic Quantum Matter Group в Университетском колледже Корка (UCC) обнаружили пространственно модулируемое сверхпроводящее состояние в новом и необычном сверхпроводнике — дителлуриде урана (UTe).2). Этот новый сверхпроводник может стать решением одной из самых сложных задач квантовых вычислений.
Результаты исследования были недавно опубликованы в престижном журнале Nature.
Джо Кэрролл, доктор наук, работающий с профессором квантовой физики Сеамусом Дэвисом в лаборатории Macroscopic Quantum Matter Group в Университетском колледже Корка, ведущий автор статьи, обнаружил пространственно модулируемое сверхпроводящее состояние в новом и необычном сверхпроводнике — дителлуриде урана (UTe2). Credit: Clare Keogh/UCC
Новаторское открытие
Ведущий автор Джо Кэрролл, доктор наук, работающий с профессором квантовой физики UCC Сеамусом Дэвисом, объясняет тему статьи.
«Сверхпроводники — это удивительные материалы, обладающие множеством странных и необычных свойств. Наиболее известным является то, что они позволяют пропускать электричество с нулевым сопротивлением. То есть, если пропустить через них ток, они не начинают нагреваться, более того, они не рассеивают энергию, несмотря на огромный ток. Это происходит потому, что вместо отдельных электронов в металле движутся пары электронов, которые связываются между собой. Эти пары электронов вместе образуют макроскопическую квантовомеханическую жидкость».
«Наша группа обнаружила, что некоторые электронные пары образуют новую кристаллическую структуру, встроенную в фоновую жидкость. Такие состояния были впервые обнаружены нашей группой в 2016 году и теперь называются волнами плотности пар электронов. Эти волны с парной плотностью представляют собой новую форму сверхпроводящей материи, свойства которой мы продолжаем открывать».
«Особенно интересным для нас и всего сообщества является то, что UTe2 похоже, является новым типом сверхпроводника. Физики искали подобный материал почти 40 лет. Пары электронов, по-видимому, обладают собственным угловым моментом. Если это так, то обнаруженная нами первая волна парной плотности состоит из этих экзотических пар электронов».
Практические последствия для квантовых вычислений
Отвечая на вопрос о практических последствиях этой работы, г-н Кэрролл пояснил;
«Есть основания полагать, что UTe2 является особым типом сверхпроводника, что может иметь огромные последствия для квантовых вычислений».
«Обычные, классические, компьютеры используют биты для хранения и манипулирования информацией. В квантовых компьютерах для этого используются квантовые биты, или кубиты. Проблема, с которой сталкиваются существующие квантовые компьютеры, заключается в том, что каждый кубит должен находиться в суперпозиции с двумя различными энергиями — подобно тому, как кот Шредингера может быть назван и «мертвым», и «живым». Такое квантовое состояние очень легко разрушить, переведя его в состояние с наименьшей энергией — «мертвое» — и тем самым прервать любые полезные вычисления.
«Это накладывает огромные ограничения на применение квантовых компьютеров. Однако с момента его открытия пять лет назад было проведено огромное количество исследований UTe.2 и появились данные, указывающие на то, что он является сверхпроводником, который может быть использован в качестве основы для топологических квантовых вычислений. В таких материалах время жизни кубита в процессе вычислений не ограничено, что открывает множество новых возможностей для создания более стабильных и полезных квантовых компьютеров. Фактически, компания Microsoft уже инвестировала миллиарды долларов в топологические квантовые вычисления, так что это уже вполне сформировавшаяся теоретическая наука», — сказал он.
То, что сообщество искало, — это соответствующий топологический сверхпроводник; UTe, похоже, является таковым».2 похоже, является таковым».
«То, что мы обнаружили, является еще одной частью головоломки, связанной с UTe.2. Для создания приложений, использующих подобные материалы, необходимо понять их фундаментальные сверхпроводящие свойства. Вся современная наука движется шаг за шагом. Мы рады, что внесли свой вклад в понимание материала, который может приблизить нас к гораздо более практичным квантовым компьютерам».
Заключение и перспективы
Поздравляя исследовательскую группу из лаборатории Macroscopic Quantum Matter Group в Университетском колледже Корка, профессор Джон Ф. Крайан, вице-президент по исследованиям и инновациям, сказал:
«Это важное открытие будет иметь значительные последствия для будущего квантовых вычислений. В ближайшие недели университет объявит о запуске программы UCC Futures — Future Quantum and Photonics, и исследования, проводимые под руководством профессора Шеймуса Дэвиса и группы Macroscopic Quantum Matter Group с использованием одного из самых мощных в мире микроскопов, сыграют решающую роль в этой захватывающей инициативе».
Справка: «Обнаружение волнового состояния парной плотности в UTe2» Qiangqiang Gu, Joseph P. Carroll, Shuqiu Wang, Sheng Ran, Christopher Broyles, Hasan Siddiquee, Nicholas P. Butch, Shanta R. Saha, Johnpierre Paglione, J. C. Séamus Davis and Xiaolong Liu, 28 июня 2023 г., Nature . DOI: 10.1038/s41586-023-05919-7
