Zdaniem międzynarodowego zespołu naukowców nowa forma heterostruktury warstwowych materiałów dwuwymiarowych (2D) może umożliwić komputerom kwantowym pokonanie kluczowych barier stojących na drodze do ich powszechnego zastosowania.

Naukowcami kierował zespół będący częścią Penn State Center for Nanoscale Science (CNS), jednego z 19 centrów badań i inżynierii materiałów (MRSEC) w Stanach Zjednoczonych, finansowanych przez National Science Foundation. Ich praca została opublikowana 13 lutego br Materiały natury.

Zwykły komputer składa się z miliardów tranzystorów zwanych bitami, którymi zarządza kod binarny („0” = wyłączony, „1” = włączony). Bit kwantowy, znany również jako kubit, jest oparty na mechanice kwantowej i może być jednocześnie „0” i „1”. Jest to znane jako superpozycja i może sprawić, że komputery kwantowe będą potężniejsze niż zwykłe, klasyczne komputery.

Jest jednak problem ze zbudowaniem komputera kwantowego.

„IBM, Google i inni próbują stworzyć i skalować komputery kwantowe oparte na kubitach nadprzewodzących” – powiedział Jun Zhu, profesor fizyki z Penn State i korespondent w badaniu. „Jak zminimalizować negatywny wpływ klasycznego środowiska, które powoduje błąd w działaniu komputera kwantowego, to kluczowy problem w obliczeniach kwantowych”.

Rozwiązanie tego problemu można znaleźć w egzotycznej wersji kubitu znanej jako kubit topologiczny.

„Oczekuje się, że kubity oparte na topologicznych nadprzewodnikach będą chronione przez topologiczny aspekt nadprzewodnictwa, a zatem będą bardziej odporne na destrukcyjne działanie środowiska” – powiedział Zhu.

Kubit topologiczny odnosi się do topologii w matematyce, w której struktura przechodzi fizyczne zmiany, takie jak zginanie lub rozciąganie, i nadal zachowuje właściwości swojej pierwotnej formy. Jest to teoretyczny typ kubitu, który jeszcze nie został zrealizowany, ale podstawową ideą jest to, że właściwości topologiczne niektórych materiałów mogą chronić stan kwantowy przed zakłóceniem przez klasyczne środowisko.

Według Cequna Li, absolwenta fizyki i pierwszego autora badania, obecnie duży nacisk kładzie się na topologiczne obliczenia kwantowe.

„Komputery kwantowe to bardzo gorący temat i ludzie zastanawiają się, jak zbudować komputer kwantowy z mniejszym błędem w obliczeniach” – powiedział Li. „Topologiczny komputer kwantowy to atrakcyjny sposób na zrobienie tego. Ale kluczem do topologicznego komputera kwantowego jest opracowanie odpowiednich materiałów”.

Naukowcy biorący udział w badaniu zrobili krok w tym kierunku, opracowując rodzaj materiału warstwowego zwanego heterostrukturą. Badana heterostruktura składa się z warstwy materiału izolatora topologicznego, tellurku antymonu bizmutu lub (Bi,Sb)₂Te₃oraz warstwę materiału nadprzewodzącego, galu.

„Opracowaliśmy specjalną technikę pomiarową do badania nadprzewodnictwa indukowanego bliskością na powierzchni (Bi, Sb)₂Te₃ film” – powiedział Zhu. „Nadprzewodnictwo indukowane bliskością jest kluczowym mechanizmem realizacji topologicznego nadprzewodnika. Nasza praca wykazała, że ​​rzeczywiście występuje na powierzchni (Bi, Sb)₂Te₃ film. To pierwszy krok w kierunku realizacji topologicznego nadprzewodnika”.

Jednak taka topologiczna heterostruktura izolator/nadprzewodnik jest trudna do stworzenia.

„Zwykle nie jest to łatwe, ponieważ różne materiały mają różne struktury sieciowe” – powiedział Li. „Ponadto, jeśli połączysz ze sobą dwa materiały, mogą one reagować ze sobą chemicznie i skończyć z niechlujnym interfejsem”.

Dlatego naukowcy stosują technikę syntezy znaną jako heteroepitaksja ograniczająca, która jest badana w MRSEC. Polega to na umieszczeniu warstwy grafenu epitaksjalnego, który jest arkuszem atomów węgla o grubości jednego lub dwóch atomów, pomiędzy warstwą galu a (Bi,Sb)₂Te₃ warstwa. Li zauważa, że ​​umożliwia to łączenie i łączenie warstw, na przykład zatrzaskiwanie klocków Lego.

„Grafen oddziela te dwa materiały i działa jak bariera chemiczna” – powiedział Li. „Więc nie ma między nimi żadnej reakcji i otrzymujemy bardzo ładny interfejs”.

Ponadto naukowcy wykazali, że ta technika jest skalowalna na poziomie płytki, co czyni ją atrakcyjną opcją dla przyszłych obliczeń kwantowych. Wafel to okrągły kawałek materiału półprzewodnikowego, który służy jako podłoże dla mikroelektroniki.

„Nasza heterostruktura ma wszystkie elementy topologicznego nadprzewodnika, ale co być może ważniejsze, jest to cienka warstwa i potencjalnie skalowalna” – powiedział Li. „Tak więc cienka warstwa waflowa ma ogromny potencjał dla przyszłych zastosowań, takich jak budowa topologicznego komputera kwantowego”.

Badania te były wspólnym wysiłkiem zespołu CNS IRG1-2D Polar Metals and Heterostructures, kierowanego przez Zhu i Joshua Robinsona, profesora inżynierii materiałowej i inżynierii w Penn State. Inni wydziały zaangażowani w badania to Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor i profesor nadzwyczajny fizyki oraz Danielle Reifsnyder Hickey, adiunkt chemii oraz materiałoznawstwa i inżynierii.

„To była niezwykła praca zespołowa zespołu IRG1 naszego MRSEC” – powiedział Zhu. „Grupa Robinsona wyhodowała dwuwarstwową warstwę galu za pomocą heteroepitaksji ograniczającej, grupa Chang wyhodowała warstwę izolatora topologicznego za pomocą epitaksji z wiązki molekularnej, a grupa Reifsnyder Hickey i pracownicy Instytutu Badań nad Materiałami przeprowadzili charakterystykę heterostruktury i urządzeń w skali atomowej”.

Następnym krokiem jest udoskonalenie procesu i zrobienie jeszcze większego kroku w kierunku urzeczywistnienia topologicznego komputera kwantowego.

„Materiał jest kluczowy, więc nasi współpracownicy próbują go ulepszyć” – powiedział Li. „Oznacza to lepszą jednorodność i wyższą jakość. A nasza grupa próbuje tworzyć bardziej zaawansowane urządzenia na tego rodzaju heterostrukturach, aby badać sygnatury nadprzewodnictwa topologicznego”.