16:29 2022-01-20
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Către calculatoare cuantice compacte datorită topologiei
_ Spre computere cuantice compacte datorită topologie
Cercetătorii de la PSI au comparat distribuția electronilor de sub stratul de oxid a doi semiconductori. Investigația face parte dintr-un efort de a dezvolta biți cuantici deosebit de stabili – și astfel, la rândul lor, computere cuantice deosebit de eficiente. Ei și-au publicat acum cele mai recente cercetări, care sunt susținute parțial de Microsoft, în jurnalul Advanced Quantum Technologies.
Până acum, viitorul computerelor este de neconceput fără computere cuantice. În cea mai mare parte, acestea sunt încă în faza de cercetare. Ei dețin promisiunea de a accelera anumite calcule și simulări cu ordine de mărime în comparație cu computerele clasice.
Biții cuantici, sau pe scurt qubiții, formează baza calculatoarelor cuantice. Așa-numiții biți cuantici topologici sunt un tip nou care s-ar putea dovedi a fi superior. Pentru a afla cum ar putea fi create acestea, o echipă internațională de cercetători a efectuat măsurători la Swiss Light Source SLS de la PSI.
Biți cuantici mai stabili
„Biți de computer care urmează legile mecanicii cuantice pot fi atinse în moduri diferite”, explică Niels Schröter, unul dintre autorii studiului. A fost cercetător la PSI până în aprilie 2021, când s-a mutat la Institutul Max Planck de Fizică a Microstructurilor din Halle, Germania. „Cele mai multe tipuri de qubiți, din păcate, își pierd informațiile rapid; ați putea spune că sunt qubiți uitutori.” Există o soluție tehnică pentru aceasta: fiecare qubit este susținut de un sistem de qubits suplimentari care corectează orice erori care apar. Dar asta înseamnă că numărul total de qubiți necesari unui computer cuantic operațional crește rapid la milioane.
„Abordarea Microsoft, la care colaborăm acum, este destul de diferită”, continuă Schröter. „Vrem să contribuim la crearea unui nou tip de qubit care este imun la scurgerea de informații. Acest lucru ne-ar permite să folosim doar câțiva qubiți pentru a obține un computer cuantic subțire și funcțional.”
Cercetătorii speră să obțineți o astfel de imunitate cu așa-numiții biți cuantici topologici. Acestea ar fi ceva complet nou pe care nici un grup de cercetare nu a fost încă în stare să-l creeze.
Materialele topologice au devenit mai cunoscute prin Premiul Nobel pentru Fizică în 2016. Topologia este inițial un domeniu al matematicii care explorează, printre alte lucruri, cum se comportă obiectele geometrice atunci când sunt deformate. Cu toate acestea, limbajul matematic dezvoltat pentru aceasta poate fi aplicat și altor proprietăți fizice ale materialelor. Biții cuantici din materialele topologice ar fi atunci qubiți topologici.
Cvasiparticule din nanofirele semiconductoare
Se știe că sistemele cu peliculă subțire ale anumitor semiconductori și supraconductori ar putea duce la stări de electroni exotice care ar acţionează ca atare qubiţi topologici. Mai exact, în acest scop ar putea fi luate în considerare firele ultrasubțiri, scurte, realizate dintr-un material semiconductor. Acestea au un diametru de doar 100 de nanometri și au o lungime de 1.000 de nanometri (adică 0,0001 centimetri). Pe suprafața lor exterioară, în direcția longitudinală, jumătatea superioară a firelor este acoperită cu un strat subțire de supraconductor. Restul firului nu este acoperit astfel încât acolo să se formeze un strat de oxid natural. Simulările computerizate pentru optimizarea acestor componente prezic că stările cruciale ale electronilor mecanici cuantici sunt localizate doar la interfața dintre semiconductor și supraconductor și nu între semiconductor și stratul său de oxid.
„Distribuția colectivă, asimetrică a electronilor generați în aceste nanofire poate fi descrisă din punct de vedere fizic ca așa-numite cvasiparticule”, spune Gabriel Aeppli, șeful Diviziei de știință fotonică de la PSI, care a fost, de asemenea, implicat în curentul. studiu. „Acum, dacă sunt alese materiale semiconductoare și supraconductoare adecvate, acești electroni ar trebui să dea naștere la cvasiparticule speciale numite fermioni Majorana la capetele nanofirurilor.”
Fermionii Majorana sunt stări topologice. Prin urmare, ei ar putea acționa ca purtători de informații, așadar ca biți cuantici într-un computer cuantic. „De-a lungul ultimului deceniu, rețetele pentru crearea fermionilor Majorana au fost deja studiate și rafinate de grupuri de cercetare din întreaga lume”, continuă Aeppli. „Dar să continuăm cu această analogie: încă nu știam ce oală de gătit ne va oferi cele mai bune rezultate pentru această rețetă.”
Antimonidul de indiu are avantajul
O preocupare centrală a actualului proiect de cercetare a fost deci compararea a două „oale de gătit”. Cercetătorii au investigat doi semiconductori diferiți și stratul lor natural de oxid: pe de o parte arseniura de indiu și, pe de altă parte, antimoniură de indiu.
La SLS, cercetătorii PSI au folosit o metodă de investigare numită unghiul de raze X moale rezolvat. spectroscopie fotoelectronică—SX-ARPES pe scurt. Un nou model de computer dezvoltat de grupul lui Noa Marom de la Universitatea Carnegie Mellon, SUA, împreună cu Vladimir Strocov de la PSI, a fost folosit pentru a interpreta datele experimentale complexe. "Modelele computerizate utilizate până acum au condus la un număr necontrolat de mare de rezultate false. Cu noua noastră metodă, putem acum să analizăm toate rezultatele, să le filtram automat pe cele relevante din punct de vedere fizic și să interpretăm corect rezultatul experimental", explică Strocov. .
Prin combinația lor de experimente SX-ARPES și modele computerizate, cercetătorii au reușit acum să arate că antimonidul de indiu are o densitate de electroni deosebit de scăzută sub stratul său de oxid. Acest lucru ar fi avantajos pentru formarea fermionilor topologici Majorana în nanofirele planificate.
„Din punct de vedere al distribuției electronilor sub stratul de oxid, antimoniura de indiu este, prin urmare, mai potrivită decât arseniura de indiu pentru a servi ca un material purtător pentru biți cuantici topologici”, conchide Niels Schröter. Cu toate acestea, el subliniază că în căutarea celor mai bune materiale pentru un computer cuantic topologic, alte avantaje și dezavantaje trebuie cu siguranță cântărite unele față de altele. „Metodele noastre spectroscopice avansate vor fi cu siguranță esențiale în căutarea materialelor de calcul cuantic”, spune Strocov. „În prezent, PSI face pași mari pentru a extinde cercetarea și inginerie cuantică în Elveția, iar SLS este o parte esențială a acesteia.”
Comentarii:
Adauga Comentariu