Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Ny metode kunne muliggøre mere stabil og skalerbar kvanteberegning, fortæller fysikere

Et falsk farvebillede af en af ​​forskernes prøver. Kredit:University of Pennsylvania

Forskere fra University of Pennsylvania, i samarbejde med Johns Hopkins University og Goucher College, har opdaget et nyt topologisk materiale, som kan muliggøre fejltolerant kvanteberegning. Det er en form for databehandling, der udnytter kraften i atomer og subatomære fænomener til at udføre beregninger væsentligt hurtigere end nuværende computere og potentielt kan føre til fremskridt inden for udvikling af lægemidler og andre komplekse systemer.

Forskningen, udgivet i ACS Nano , blev ledet af Jerome Mlack, en postdoc-forsker ved Institut for Fysik og Astronomi på Penns School of Arts &Sciences, og hans mentorer Nina Markovic, nu lektor ved Goucher, og Marija Drndic, Fay R. og Eugene L. Langberg professor i fysik ved Penn. Penn-studerende Gopinath Danda og Sarah Friedensen, som modtog et NSF-stipendium for dette arbejde, og Johns Hopkins Associate Research Professor Natalia Drichko og postdoc Atikur Rahman, nu assisterende professor ved Indian Institute of Science Education and Research, Pune, også bidraget til undersøgelsen.

Forskningen begyndte, mens Mlack var ph.d. kandidat hos Johns Hopkins. Han og andre forskere arbejdede på at dyrke og lave enheder ud af topologiske isolatorer, en type materiale, der ikke leder strøm gennem hovedparten af ​​materialet, men som kan føre strøm langs overfladen.

Mens forskerne arbejdede med disse materialer, en af ​​deres enheder sprængte i luften, svarende til, hvad der ville ske med en kortslutning.

"Det smeltede lidt, "Mlack sagde, "og hvad vi fandt er, at hvis vi målte modstanden af ​​dette smeltede område af en af ​​disse enheder, det blev superledende. Derefter, da vi gik tilbage og så på, hvad der skete med materialet og forsøgte at finde ud af, hvilke elementer der var derinde, vi så kun vismutselenid og palladium."

Når superledende materialer afkøles, de kan føre en strøm med nul elektrisk modstand uden at miste nogen energi.

Topologiske isolatorer med superledende egenskaber er blevet forudsagt at have et stort potentiale til at skabe en fejltolerant kvantecomputer. Imidlertid, det er vanskeligt at skabe god elektrisk kontakt mellem den topologiske isolator og superleder og at skalere sådanne enheder til fremstilling, ved hjælp af nuværende teknikker. Hvis dette nye materiale kunne genskabes, det kunne potentielt overvinde begge disse vanskeligheder.

I standard computing, den mindste enhed af data, der udgør computeren og gemmer information, det binære ciffer, kredsløb, kan have en værdi på enten 0, for af, eller 1, for på. Kvanteberegning udnytter et fænomen kaldet superposition, hvilket betyder, at bits, i dette tilfælde kaldet qubits, kan være 0 og 1 på samme tid.

En berømt måde at illustrere dette fænomen på er et tankeeksperiment kaldet Schrodingers kat. I dette tankeeksperiment, der er en kat i en æske, men man ved ikke om katten er død eller levende før kassen åbnes. Inden kassen åbnes, katten kan betragtes som både levende og død, eksisterer i to stater på én gang, men, umiddelbart efter åbning af æsken, kattens tilstand, eller i tilfælde af qubits, systemets konfiguration, kollapser til ét:katten er enten levende eller død, og qubitten er enten 0 eller 1.

"Ideen er at kode information ved hjælp af disse kvantetilstande, " sagde Markovic, "men for at kunne bruge den skal den være kodet og eksistere længe nok til, at du kan læse."

Et af de største problemer inden for kvanteberegning er, at qubits ikke er særlig stabile, og det er meget nemt at ødelægge kvantetilstandene. Disse topologiske materialer giver en måde at få disse tilstande til at leve længe nok til at aflæse dem og gøre noget med dem, sagde Markovic.

"Det er lidt ligesom hvis kassen i Schrodingers kat var på toppen af ​​en flagstang, og den mindste vind kunne bare slå den af, "Mlack sagde. "Ideen er, at disse topologiske materialer i det mindste udvider diameteren af ​​flagstangen, så kassen sidder mere på en søjle end på en flagstang. Du kan slå det af til sidst, men det er ellers meget svært at bryde kassen og finde ud af, hvad der skete med katten."

Selvom deres første opdagelse af dette materiale var en ulykke, de var i stand til at komme med en proces til at genskabe den på en kontrolleret måde.

Markovic, som var Mlacks rådgiver hos Johns Hopkins på det tidspunkt, foreslog, at for at genskabe det uden konstant at skulle sprænge enheder, de kunne termisk udgløde det, en proces, hvor de sætter det i en ovn og opvarmer det til en bestemt temperatur.

Gennem denne nye metode, metallet kommer direkte ind i nanostrukturen, giver god elektrisk kontakt. Kredit:University of Pennsylvania

Ved at bruge denne metode, forskerne skrev, "metallet kommer direkte ind i nanostrukturen, giver god elektrisk kontakt og kan nemt mønstres ind i nanostrukturen ved hjælp af standard litografi, giver mulighed for nem skalerbarhed af brugerdefinerede superledende kredsløb i en topologisk isolator."

Selvom forskere allerede har evnen til at lave et superledende topologisk materiale, der er et stort problem i, at når de sætter to materialer sammen, der er en revne imellem, hvilket mindsker den elektriske kontakt. Dette ødelægger de målinger, de kan foretage, såvel som de fysiske fænomener, der kan føre til fremstilling af enheder, der giver mulighed for kvanteberegning.

Ved at mønstre det direkte ind i krystallen, superlederen er indlejret, og der er ingen af ​​disse kontaktproblemer. Modstanden er meget lav, og de kan mønstre enheder til kvanteberegning i én enkelt krystal.

For at teste materialets superledende egenskaber, de satte det i to ekstremt kolde køleskabe, hvoraf den ene køler ned til næsten det absolutte nulpunkt. De fejede også et magnetfelt hen over det, som ville dræbe materialets superledningsevne og topologiske natur, at finde ud af materialets begrænsninger. De foretog også standard elektriske målinger, kører en strøm igennem og ser på den spænding der skabes.

"Jeg tror, ​​hvad der også er rart i dette papir, er kombinationen af ​​den elektriske transportydelse og den direkte indsigt fra den faktiske karakterisering af enhedsmaterialer, " Drndic sagde. "Vi har god indsigt i sammensætningen af ​​disse enheder til at understøtte alle disse påstande, fordi vi lavede elementær analyse for at forstå, hvordan disse to materialer forbindes."

En af fordelene ved forskernes enhed er, at den er potentielt skalerbar, i stand til at passe på en chip svarende til dem, der i øjeblikket findes på vores computere.

"Lige nu involverer de vigtigste fremskridt inden for kvanteberegning meget komplicerede litografimetoder, " sagde Drndic. "Folk gør det med nanotråde, som er forbundet til disse kredsløb. Hvis du har enkelte nanotråde, der er meget, meget små, og så skal du placere dem på bestemte steder, det er meget svært. De fleste af de mennesker, der er på forkant med denne forskning, har multimillion-dollar faciliteter og masser af mennesker bag sig. Men dette, i princippet, vi kan gøre i et laboratorium. Det giver mulighed for at lave disse enheder på en enkel måde. Du kan bare gå hen og skrive din enhed, som du vil have den."

Ifølge Mlack, selvom der stadig er en del begrænsninger på det; der er et helt felt, der er spiret op, viet til at komme med nye og interessante måder at forsøge at udnytte disse kvantetilstande og kvanteinformation. Hvis det lykkes, quantum computing vil give mulighed for en række ting.

"Det vil give mulighed for meget hurtigere dekryptering og kryptering af information, " han sagde, "hvilket er grunden til, at nogle af de store forsvarsentreprenører i NSA, såvel som virksomheder som Microsoft, er interesseret i det. Det vil også give os mulighed for at modellere kvantesystemer inden for en rimelig tid og er i stand til at udføre visse beregninger og simuleringer hurtigere, end man typisk ville være i stand til."

Det er særligt godt til helt andre slags problemer, såsom problemer, der kræver massive parallelle beregninger, sagde Markovic. Hvis du har brug for at gøre mange ting på én gang, kvanteberegning fremskynder tingene enormt.

"Der er problemer lige nu, som ville tage universets alder at beregne, " hun sagde.

"Med kvanteberegning, du ville være i stand til at gøre det på få minutter." Dette kan potentielt også føre til fremskridt inden for lægemiddeludvikling og andre komplekse systemer, samt muliggøre nye teknologier.

Forskerne håber at begynde at bygge nogle mere avancerede enheder, der er gearet til faktisk at bygge en qubit ud af de systemer, de har, samt afprøve forskellige metaller for at se, om de kan ændre materialets egenskaber.

"Det er virkelig en ny potentiel måde at fremstille disse enheder på, som ingen har gjort før, " sagde Mlack. "Generelt, når folk laver nogle af disse materialer ved at kombinere dette topologiske materiale og superledning, det er en bulk krystal, så du styrer ikke rigtig, hvor alt er. Her kan vi faktisk tilpasse det mønster, vi laver, til selve materialet. Det er den mest spændende del, især når vi begynder at tale om at tilføje forskellige typer metaller, der giver det forskellige egenskaber, om det er ferromagnetiske materialer eller elementer, der kan gøre det mere isolerende. Vi må stadig se om det virker men der er et potentiale for at skabe disse interessante tilpassede kredsløb direkte ind i materialet."

Varme artikler