Ожидается, что квантовые системы радикально ускорят прогресс. Проблема в том, что такие технологии крайне чувствительны к воздействию внешней среды. Новое открытие показывает, как сделать их более стабильными и надежными.
Хрупкая сила
Освоение квантовых технологий может радикально улучшить жизнь. Ученые предрекают прорыв в медицине, энергетике, логистике, криптографии, создании новых материалов и других сферах. Однако теорию от практики отделяет фундаментальная проблема: квантовые системы невероятно хрупки.
Любое мельчайшее взаимодействие с внешним миром — вибрация, колебания температуры и даже случайный фотон света — разрушает суперпозицию и запутанность кубитов (квантовых единиц информации). Это явление называется декогеренцией. Из-за нее кубиты быстро «забывают» свое квантовое состояние, и вычисления рушатся.
Для защиты системы от внешних воздействий их охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю (минус 273 °C), размещают в вакууме и экранируют от электромагнитных полей. Но даже этого пока недостаточно. В результате значительная доля ресурсов квантового процессора уходит не на сами вычисления, а на борьбу с ошибками и поддержание рабочего состояния.
Один из путей решения проблемы — создание так называемых топологических кубитов. Идея в том, чтобы хранить квантовую информацию не в состоянии одной частицы, а в геометрическом свойстве системы, что позволило бы защититься от локальных помех.
«Термин «топология» происходит из математики, где он используется для различения определенных геометрических структур, — объясняет соавтор нового исследования Сильке Бюлер-Пашен. — Например, яблоко топологически эквивалентно булочке, поскольку булочку можно деформировать в форму яблока без кардинальных изменений. Однако булочка топологически отличается от пончика, поскольку у пончика есть отверстие, которое нельзя создать без радикального вмешательства».
Аналогичным образом можно описать состояния материи: скорость и энергия частиц — и даже ориентация их спина относительно направления движения — могут подчиняться определенным геометрическим правилам. Это особенно интересно, поскольку делает топологические свойства очень устойчивыми. Небольшие возмущения, такие как дефекты в материале, не изменяют эти свойства — точно так же, как небольшие деформации не могут превратить пончик в яблоко.
Именно поэтому топологические эффекты представляют большой интерес для хранения квантовой информации. И теперь в сфере топологических материалов сделали важное открытие.
Хаос и стабильность
Международная группа ученых на базе Венского технического университета провела эксперимент с материалом, состоящим из церия, рутения и олова (CeRu?Sn?). И обнаружила состояние материи, которое раньше считалось невозможным.
Вещество охладили до предельно низких температур и тем самым довели до критического состояния. На квантовом уровне начался процесс, похожий на тот, что происходит с водой в момент замерзания или кипения. Электроны вели себя хаотично, переходили из одного состояния в другое и сложным образом взаимодействовали между собой, так что привычные свойства отдельных частиц терялись.
Однако одновременно с этим внутренним «хаосом» материал продемонстрировал геометрическую стабильность — физики зафиксировали так называемое топологическое состояние вещества, которое делает его более устойчивым к внешним воздействиям.
Результат оказался неожиданным, поскольку ранее две концепции — топология и квантовая критичность — изучались параллельно, как правило, на совершенно разных типах материалов. Открытие ученых показало, что два квантовых состояния имеют прямую связь.
Ключевым доказательством стала регистрация спонтанного эффекта Холла. Обычно для отклонения электрического тока (эффект Холла) нужен внешний магнит. Но в CeRu?Sn? оно возникало само по себе при нулевом магнитном поле — а это классический признак топологического материала. Самое поразительное: сигнал был сильнее всего именно в «сердце» квантово-критического состояния, где флуктуации максимальны.
«Это фундаментальный шаг вперед. Наша работа показывает, что мощные квантовые эффекты могут объединяться, создавая нечто совершенно новое», — говорит соавтор исследования Цимяо Си из Университета Райса (США).
Как отмечают авторы работы, топологические материалы устойчивы к разрушению, в то время как квантовая критичность усиливает запутанность, что делает это гибридное состояние особенно ценным для управления квантовым поведением.
«Это открывает новые возможности в разработке квантовых материалов, имеющих важное технологическое значение», — поясняют в Университете Райса.
Первая ласточка
Впрочем, о практической пользе открытия говорить пока рано: это лишь первая ласточка в поиске подобных материалов, считает Алексей Рубцов, руководитель научной группы «Коррелированные квантовые системы» Российского квантового центра.
«Это интересное фундаментальное открытие, новая фаза вещества. Если пофантазировать о потенциале, то в первую очередь приходит в голову применение в качестве сенсоров. Топологические материалы нестандартно реагируют на внешние поля, что позволяет создавать высокочувствительные и неординарные датчики. Также речь может идти о новых способах передачи и хранения квантовой информации. Однако от этих исследований до практического внедрения еще очень далеко», — говорит ученый.
Он отметил, что и в России в этом направлении делается немало.
«Нами были опубликованы несколько статей, которые получили одобрение научного сообщества. Мы тоже понимаем важность этой темы и активно ее развиваем», — говорит ученый.
Однако работы носят в основном теоретический и вычислительный характер, а вот экспериментальных исследований в этой области не так много, отмечает Рубцов. Остается надеяться, что и здесь ситуация изменится к лучшему: квантовое направление в стране в последние годы получило финансирование и политическую поддержку.
Источник: vk.com
Источник: ai-news.ru
