Kvantekritikalitet kan være en velsignelse for qubit -designere

Fysikere, der studerer den underlige opførsel af metallegeringer, der kaldes tunge fermioner, har gjort en overraskende opdagelse, der kan være nyttig til at beskytte informationen, der er lagret i kvantebits, eller qubits, grundenhederne for kodet information i kvantecomputere.

I en undersøgelse i Procedurer fra National Academy of Sciences , forskere fra Rice University og Vienna University of Technology (TU Wien) i Østrig undersøgte adfærden for en intermetallisk ceriumkrystal, palladium og silicium, da det blev udsat for ekstrem kulde og et stærkt magnetfelt. Til deres overraskelse, de fandt ud af, at de kunne omdanne materialets kvanteadfærd på to unikke måder, en, hvor elektroner konkurrerer om at besætte orbitaler og en anden, hvor de konkurrerer om at besætte spin -tilstande.

"Effekten er så udtalt med en grad af frihed, at den ender med at befri den anden, "sagde Rices Qimiao Si, co-tilsvarende forfatter af undersøgelsen og direktøren for Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Du kan i det væsentlige justere systemet for at maksimere skader på en af ​​disse, forlader den anden veldefinerede. "

Si sagde, at resultatet kunne være vigtigt for virksomheder som Google, IBM, Intel og andre, der konkurrerer om at udvikle kvantecomputere. I modsætning til nutidens digitale computere, som bruger elektricitet eller lys til at kode bits, kvantecomputere bruger kvantetilstande for subatomære partikler som elektroner til at gemme information i qubits. En praktisk kvantecomputer kunne overgå dens digitale modstykke på mange måder, men teknologien er stadig i sin vorden, og en af ​​de største forhindringer er skrøbeligheden af ​​kvantetilstandene inde i qubitsne.

"Du har brug for en veldefineret kvantetilstand, hvis du ønsker at være sikker på, at de oplysninger, der er gemt i en qubit, ikke ændres på grund af baggrundsinterferens, "Sagde Si.

Hver elektron virker som en roterende magnet, og dens spin er beskrevet i en af ​​to værdier, op eller ned. I mange qubit -designs, information er kodet i disse spins, men disse tilstande kan være så skrøbelige, at selv små mængder lys, varme, vibrationer eller lyd kan få dem til at vende fra en tilstand til en anden. At minimere de oplysninger, der er gået tabt for en sådan "decoherence", er en stor bekymring i qubit -design, Sagde Si.

I den nye undersøgelse, Si arbejdede sammen med mangeårige samarbejdspartner Silke Paschen fra TU Wien for at studere et materiale, hvor kvantetilstande for elektroner blev krypteret ikke kun med hensyn til deres spins, men også med hensyn til deres orbitaler.

"Vi har designet et system, realiseret i nogle teoretiske modeller og samtidig realiseret i et materiale, hvor spins og orbitaler er næsten på lige fod og er stærkt koblet sammen, " han sagde.

Fra tidligere forskning i 2012, Si, Paschen og kolleger vidste, at elektroner i forbindelsen kunne få en til at interagere så stærkt, at materialet ville undergå en dramatisk ændring ved en kritisk kold temperatur. På hver side af dette "kvantekritiske punkt, "Elektroner i centrale orbitaler ville arrangere sig selv på en helt anden måde, med skiftet, der udelukkende sker på grund af de kvanteinteraktioner mellem dem.

Den tidligere undersøgelse påberåbte en velkendt teori Si og samarbejdspartnere udviklet i 2001, der foreskriver, hvordan spinnene af disse lokaliserede elektroner, som er en del af atomer inde i legeringen, stærkt parre med fritstrømmende ledningselektroner på det kvantekritiske punkt. Ifølge denne "lokale kvantekritiske" teori, når materialet afkøles og nærmer sig det kritiske punkt, centrifugeringen af ​​lokaliserede elektroner og ledningselektroner begynder at konkurrere om at besætte bestemte spintilstande. Det kvantekritiske punkt er vendepunktet, hvor denne konkurrence ødelægger det ordnede arrangement af de lokaliserede elektroner, og de i stedet bliver helt viklet ind i ledningselektronerne.

Selvom Si har studeret kvantekritikalitet i næsten 20 år, han blev overrasket over resultaterne af Paschens seneste forsøg.

"De nye data var fuldstændig forvirrende for os alle, "sagde han." Det vil sige, indtil vi indså, at systemet ikke kun indeholdt spins, men også orbitaler som aktive frihedsgrader. "

Med den erkendelse, Si's team, herunder Ris -kandidatstuderende Ang Cai, bygget en teoretisk model, der indeholder både spins og orbitaler. Deres detaljerede analyse af modellen afslørede en overraskende form for kvantekritikalitet, der gav en klar forståelse af eksperimenterne.

"Det var et chok for mig, både fra det teoretiske modelperspektiv og eksperimenterne, "sagde han." Selvom dette er en suppe af ting - spinder, orbitaler, der alle er stærkt koblet til hinanden og til baggrundsledningselektroner - vi kunne løse to kvantekritiske punkter i dette ene system under indstilling af en parameter, som er magnetfeltet. Og på hvert af de kvantekritiske punkter, kun spin eller orbital driver kvantekritikaliteten. Den anden er mere eller mindre en tilskuer. "