Большой скачок в квантовых вычислениях с магнитным поворотом — «новая парадигма»

Художественное изображение показывает фракционирование электронов, при котором сильно взаимодействующие заряды могут «дробиться» на три части, в дробной квантовой аномальной фазе Холла. Credit: Eric Anderson/University of Washington

Группа специалистов под руководством Университета Вашингтона совершила ключевой прорыв в области квантовых вычислений, обнаружив дробные квантовые аномальные состояния Холла в хлопьях полупроводникового материала, что может сыграть важную роль в создании стабильных и отказоустойчивых кубитов.

Квантовые вычисления могут произвести революцию в нашем мире. Для решения конкретных и важных задач они обещают быть экспоненциально более быстрыми, чем двоичная технология «ноль или один», лежащая в основе современных машин — от суперкомпьютеров в лабораториях до смартфонов в наших карманах. Однако создание квантовых компьютеров зависит от создания стабильной сети кубитов — или квантовых битов — для хранения информации, доступа к ней и выполнения вычислений.

Однако у представленных на сегодняшний день квантовых платформ есть общая проблема: они, как правило, хрупки и уязвимы к внешним воздействиям. Даже шальной фотон может стать причиной неполадок. Создание отказоустойчивых кубитов, невосприимчивых к внешним возмущениям, может стать окончательным решением этой проблемы.

Группа ученых и инженеров из Вашингтонского университета объявила о значительном продвижении в этом направлении. В двух работах, опубликованных 14 июня в журнале Nature и 22 июня в журнале Science, сообщается, что в экспериментах с чешуйками полупроводниковых материалов толщиной всего в один слой атомов были обнаружены признаки «дробных квантовых аномальных состояний Холла» (FQAH). Открытие группы специалистов является первым и многообещающим шагом в создании отказоустойчивого типа кубита, поскольку в состояниях FQAH могут находиться анионы — странные «квазичастицы», обладающие лишь долей заряда электрона. Некоторые типы анионов могут быть использованы для создания так называемых «топологически защищенных» кубитов, которые устойчивы к любым малым локальным возмущениям.

«Это действительно устанавливает новую парадигму для изучения квантовой физики с дробными возбуждениями в будущем», — сказал Сяодун Сюй, ведущий исследователь этих открытий, который также является заслуженным профессором физики компании Boeing и профессором материаловедения и инженерии в UW.

Состояния FQAH связаны с дробным квантовым состоянием Холла — экзотической фазой материи, существующей в двумерных системах. В этих состояниях электропроводность ограничена точными долями константы, называемой квантом проводимости. Однако для поддержания стабильности дробных квантовых систем Холла обычно требуются мощные магнитные поля, что делает их непрактичными для применения в квантовых вычислениях. Для состояния FQAH таких требований нет — по словам специалистов, оно стабильно даже «при нулевом магнитном поле».

Для получения столь экзотической фазы материи исследователям потребовалось создать искусственную решетку с экзотическими свойствами. Они уложили две атомарно тонкие чешуйки полупроводникового материала — дителлурида молибдена (MoTe₂) под небольшими взаимными углами «закрутки» относительно друг друга. Такая конфигурация формирует синтетическую «сотовую решетку» для электронов. Когда исследователи охладили сложенные кусочки до температуры на несколько градусов выше абсолютного нуля, в системе возник собственный магнетизм. Внутренний магнетизм занял место сильного магнитного поля, обычно необходимого для возникновения дробного квантового состояния Холла. Используя лазеры в качестве зондов, исследователи обнаружили признаки эффекта FQAH, что стало большим шагом вперед в раскрытии возможностей анйонов для квантовых вычислений.

Команда, в которую также входят ученые из Гонконгского университета, Национального института материаловедения в Японии, Бостонского колледжа и Массачусетского технологического института, рассматривает свою систему как мощную платформу для более глубокого понимания анионов, которые по своим свойствам сильно отличаются от обычных частиц, таких как электроны. Анионы — это квазичастицы, или «возбуждения», похожие на частицы, которые могут выступать в качестве долей электрона. В дальнейшей работе со своей экспериментальной системой исследователи надеются обнаружить еще более экзотическую версию этого типа квазичастиц: «неабелевы» анйоны, которые могут быть использованы в качестве топологических кубитов. Обертывание — или «оплетение» — неабелевых аньонов друг вокруг друга В таком квантовом состоянии информация, по сути, «распределена» по всей системе и устойчива к локальным возмущениям, что составляет основу топологических кубитов и является значительным продвижением по сравнению с возможностями современных квантовых компьютеров.

«Этот тип топологических кубитов будет принципиально отличаться от тех, которые можно создать сейчас», — говорит докторант физического факультета UW Эрик Андерсон, ведущий автор статьи в Science и один из ведущих авторов статьи в Nature. «Странное поведение неабелевых анйонов сделает их гораздо более надежными в качестве платформы для квантовых вычислений».

• Магнетизм: Хотя MoTe₂ не является магнитным материалом, но когда в систему загрузили положительные заряды, возник «спонтанный спиновый порядок» — форма магнетизма, называемая ферромагнетизмом.
• Топология: Электрические заряды в системе имеют «закрученные полосы», похожие на полосу Мёбиуса, что позволяет сделать систему топологической.
• Взаимодействие: Заряды в экспериментальной системе взаимодействуют достаточно сильно, чтобы стабилизировать состояние FQAH.

Команда надеется, что, используя их подход, неабелевы анионы ждут своего открытия.

«Наблюдаемые признаки дробного квантового аномального эффекта Холла вдохновляют», — сказал докторант физического факультета Университета Южной Калифорнии Цзяци Цай (Jiaqi Cai), соавтор статьи в Nature и соавтор статьи в Science. «Плодотворные квантовые состояния в этой системе могут стать лабораторией-на-чипе для открытия новой физики в двух измерениях, а также новых устройств для квантовых приложений».

«Наша работа дает четкое доказательство давно искомых состояний FQAH», — сказал Сюй, который также является сотрудником Института молекулярной инженерии и наук, Института наноинженерных систем и Института чистой энергии, расположенных в UW. «В настоящее время мы работаем над измерениями электрического переноса, которые могут дать прямое и однозначное доказательство наличия дробных возбуждений при нулевом магнитном поле».

Команда считает, что благодаря их подходу исследование и манипулирование этими необычными состояниями FQAH может стать обычным делом, что ускорит продвижение квантовых вычислений.

«Программирование коррелированных магнитных состояний с помощью управляемой затвором муаровой геометрии» Эрик Андерсон, Фенг-Рен Фан, Цзяци Кай, Уильям Хольцманн, Такаши Танигучи, Кенджи Ватанабе, Ди Сяо, Ван Яо и Сяодун Сюй, 22 июня 2023 г., Science . DOI: 10.1126/science.adg4268

«Признаки дробных квантовых аномальных состояний Холла в скрученном MoTe₂» Jiaqi Cai, Eric Anderson, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu, William Holtzmann, Yinong Zhang, Fengren Fan, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Ying Ran, Ting Cao, Liang Fu, Di Xiao, Wang Yao and Xiaodong Xu, 14 June 2023, Nature . DOI: 10.1038/s41586-023-06289-w

Дополнительными соавторами работ являются Уильям Хольцманн и Йинонг Чжан с физического факультета UW; Ди Сяо, Чонг Ванг, Сяовэй Чжан, Сяоюй Лю и Тинг Цао с факультета материаловедения и инженерии UW; Фенг-Рен Фан и Ван Яо из Университета Гонконга и Объединенного института теоретической и вычислительной физики в Гонконге; Такаши Танигучи и Кенджи Ватанабе из Национального института материаловедения в Японии; Йинг Ран из Бостонского колледжа; Лян Фу из Массачусетского технологического института. Исследование финансировалось Министерством энергетики США, Управлением научных исследований ВВС, Национальным научным фондом, Советом по исследовательским грантам Гонконга, Фондом Краучера, Фондом Тенсент, Японским обществом содействия развитию науки и Университетом Вашингтона.

• Министерство энергетики США: DE-SC0018171, DE-SC0019443, DE-SC0012509
• Управление научных исследований ВВС: FA9550-19-1-0390, FA9550-21-1-0177
• Национальный научный фонд: DMR-1719797, DGE-2140004
• Совет по исследовательским грантам Гонконга: AoE/P-701/20, HKU SRFS2122-7S05
• Японское общество содействия развитию науки: 19H05790, 20H00354, 21H05233