Исследование, опубликованное в ACS Nano, возглавил Джером Млак, научный сотрудник отдела физики. Астрономия в Школе искусств Пенна Наук, и его наставники Нина Маркович, ныне доцент в Goucher, и Мария Дрндич, Фэй Р. и Юджин Л. Лангберг, профессор физики в Пенсильвании. Студенты Пенсильванского университета Гопинатх Данда и Сара Фриденсен, получившие стипендию NSF за эту работу, и доцент Джонса Хопкинса Наталья Дричко и постдоктор Атикур Рахман, ныне доцент Индийского института научного образования и исследований в Пуне, также внесли свой вклад в эту работу. изучение.Исследование началось, когда Млак был доктором философии. кандидат в Джона Хопкинса.
Он и другие исследователи работали над выращиванием и изготовлением устройств из топологических изоляторов, типа материала, который не проводит ток через большую часть материала, но может проводить ток по его поверхности.Когда исследователи работали с этими материалами, одно из их устройств взорвалось, как при коротком замыкании.«Он как бы немного расплавился, — сказал Млак, — и мы обнаружили, что если мы измерили сопротивление этой расплавленной области одного из этих устройств, оно стало сверхпроводящим. Затем, когда мы вернулись и посмотрели, что произошло с материалом и попытался выяснить, какие элементы там были, мы видели только селенид висмута и палладий ».
Когда сверхпроводящие материалы охлаждаются, они могут пропускать ток с нулевым электрическим сопротивлением без потери энергии.Было предсказано, что топологические изоляторы со сверхпроводящими свойствами имеют большой потенциал для создания отказоустойчивого квантового компьютера. Однако трудно обеспечить хороший электрический контакт между топологическим изолятором и сверхпроводником и масштабировать такие устройства для производства с использованием современных технологий.
Если бы этот новый материал можно было воссоздать, он потенциально мог бы преодолеть обе эти трудности.В стандартных вычислениях наименьшая единица данных, составляющая компьютер и хранящая информацию, двоичная цифра или бит, может иметь значение 0 для выключения или 1 для включения. Квантовые вычисления используют явление, называемое суперпозицией, что означает, что биты, в данном случае называемые кубитами, могут быть 0 и 1 одновременно.Известный способ проиллюстрировать это явление — мысленный эксперимент под названием «Кот Шредингера».
В этом мысленном эксперименте кошка находится в коробке, но никто не знает, мертва кошка или жива, пока коробку не откроют. Перед открытием коробки кота можно считать живым и мертвым, существующим сразу в двух состояниях, но сразу после открытия коробки состояние кота или, в случае кубитов, конфигурация системы сворачивается в одно: кот либо жив, либо мертв, а кубит либо 0, либо 1.«Идея состоит в том, чтобы кодировать информацию с использованием этих квантовых состояний, — сказал Маркович, — но для того, чтобы использовать ее, она должна быть закодирована и существовать достаточно долго, чтобы вы могли ее прочитать».
Одна из основных проблем в области квантовых вычислений заключается в том, что кубиты не очень стабильны, и квантовые состояния очень легко разрушить. Эти топологические материалы обеспечивают способ заставить эти состояния жить достаточно долго, чтобы их можно было прочитать и что-то с ними сделать, сказал Маркович.«Это как если бы ящик в коте Шредингера был на вершине флагштока, и малейший ветер мог его просто сбить», — сказал Млак. «Идея состоит в том, что эти топологические материалы, по крайней мере, увеличивают диаметр флагштока, чтобы коробка располагалась больше на колонне, чем на флагштоке. что случилось с кошкой ".
Хотя их первоначальное открытие этого материала было случайностью, они смогли придумать процесс, позволяющий воссоздать его контролируемым образом.Маркович, который в то время был советником Млака в Johns Hopkins, предположил, что, чтобы воссоздать его без постоянного взрыва устройств, они могут термически отжечь его — процесс, при котором они помещают его в печь и нагревают до температуры. определенная температура.Используя этот метод, писали исследователи, «металл напрямую входит в наноструктуру, обеспечивая хороший электрический контакт, и его можно легко вписать в наноструктуру с помощью стандартной литографии, что позволяет легко масштабировать нестандартные сверхпроводящие схемы в топологическом изоляторе».Хотя исследователи уже имеют возможность создавать сверхпроводящий топологический материал, огромная проблема заключается в том, что, когда они соединяют два материала, между ними возникает трещина, которая уменьшает электрический контакт.
Это разрушает измерения, которые они могут проводить, а также физические явления, которые могут привести к созданию устройств, которые позволят выполнять квантовые вычисления.Путем нанесения рисунка прямо в кристалл сверхпроводник внедряется, и проблем с контактом не возникает. Сопротивление очень низкое, и они могут создавать устройства для квантовых вычислений в одном монокристалле.Чтобы проверить сверхпроводящие свойства материала, они поместили его в два очень холодных холодильника, один из которых охлаждается почти до абсолютного нуля.
Они также провели через него магнитное поле, которое уничтожило бы сверхпроводимость и топологическую природу материала, чтобы выяснить ограничения материала. Они также провели стандартные электрические измерения, пропустив ток и изучив создаваемое напряжение.«Я думаю, что в этой статье также хорошо сочетаются характеристики электрического транспорта и непосредственное понимание фактических характеристик материалов устройства», — сказал Дрндич. «У нас есть хорошее представление о составе этих устройств, подтверждающее все эти утверждения, потому что мы провели элементный анализ, чтобы понять, как эти два материала соединяются».
Одно из преимуществ устройства исследователей заключается в том, что оно потенциально масштабируемое и может быть установлено на микросхеме, аналогичной той, что используется в настоящее время в наших компьютерах.«В настоящее время основные достижения в области квантовых вычислений связаны с очень сложными методами литографии», — сказал Дрндич. «Люди делают это с помощью нанопроволок, которые подключены к этим цепям.
Если у вас есть отдельные нанопроволоки, которые очень, очень крошечные, и вам нужно разместить их в определенных местах, это очень сложно. Большинство людей, которые находятся в авангарде у этого исследования есть многомиллионные объекты и много людей за ними.
Но это, в принципе, мы можем сделать в одной лаборатории. Это позволяет легко создавать эти устройства. Вы можете просто пойти и написать свое устройство так, как вы хотите это должно быть. "По словам Млака, хотя здесь все еще есть изрядные ограничения; появилась целая область, посвященная поиску новых и интересных способов использования этих квантовых состояний и квантовой информации.
В случае успеха квантовые вычисления позволят многое.«Это позволит значительно ускорить дешифрование и шифрование информации, — сказал он, — поэтому в нем заинтересованы некоторые крупные оборонные подрядчики в АНБ, а также такие компании, как Microsoft. Это также позволит нам моделировать квантовые системы в разумные сроки и способны выполнять определенные вычисления и моделирование быстрее, чем это обычно делается ».
По словам Марковича, это особенно хорошо для совершенно разных типов задач, например для задач, требующих массивных параллельных вычислений. Если вам нужно сделать много вещей одновременно, квантовые вычисления значительно ускорят процесс.«Прямо сейчас есть проблемы, для вычисления которых потребуется возраст Вселенной», — сказала она.
«С квантовыми вычислениями вы сможете сделать это за считанные минуты». Это потенциально может также привести к прогрессу в разработке лекарств и других сложных систем, а также к новым технологиям.Исследователи надеются начать создавать более совершенные устройства, которые на самом деле предназначены для создания кубита из имеющихся у них систем, а также испытывают различные металлы, чтобы увидеть, могут ли они изменить свойства материала.
«Это действительно новый потенциальный способ изготовления этих устройств, который еще никто не делал», — сказал Млак. «В общем, когда люди создают некоторые из этих материалов, комбинируя этот топологический материал и сверхпроводимость, это объемный кристалл, поэтому вы не контролируете, где все находится. Здесь мы действительно можем настроить шаблон, который мы создаем в материал сам по себе. Это самая захватывающая часть, особенно когда мы начинаем говорить о добавлении различных типов металлов, которые придают ему разные характеристики, будь то ферромагнитные материалы или элементы, которые могут сделать его более изолирующим. Нам еще нужно посмотреть, работает ли это, но есть потенциал для создания этих интересных индивидуальных схем прямо в материале ».
Работа поддержана Национальным научным фондом грантами DGE-1232825, DMR-1507782 и EFRI 2-DARE 1542707.