Нов свръхпроводник със „златно покритие“ може да стабилизира квантовите компютри

Квантовите компютри често се наричат следващата технологична революция, тъй като ще могат да решават сложни проблеми много по-бързо от традиционните компютри. Остава обаче един основен проблем: тези машини са чувствителни към външни влияния, като температурни колебания и електромагнитни смущения, и страдат от така наречената „декохерентност“. Това им пречи да работят надеждно. Екип от изследователи от Калифорнийския университет в Ривърсайд обаче наскоро направи откритие, което може да проправи пътя към по-стабилни и надеждни квантови компютри: нов свръхпроводим материал, който може значително да намали това явление. Този материал може да бъде ключова стъпка в разработването на по-мощни квантови системи.

Какво е свръхпроводникът и защо е необходим за квантовите компютри?

Свръхпроводникът е материал, който престава да оказва електрическо съпротивление при охлаждане под определена температура. Това означава, че електроните могат да преминават през материала без никакво съпротивление, което позволява пренос на енергия или информация практически без загуби. Това поведение е от решаващо значение за много приложения, особено за системи, които се нуждаят от перфектна проводимост, като например мощни магнити или електропреносни мрежи без загуби.

В контекста на квантовите компютри информацията се обработва чрез единици, наречени „ кубити“ (квантови битове). За разлика от конвенционалните битове, които могат да бъдат само в състояние 0 или 1, кюбитите могат да съществуват едновременно в няколко състояния благодарение на принципите на квантовата суперпозиция и заплитането. Суперпозицията позволява на един кубит да бъде едновременно и 0, и 1, докато не бъде измерен, а заплитането позволява на отделните кубити да останат свързани и да окажат мигновено влияние върху състоянието си дори от разстояние.

Свръхпроводниците се използват за манипулиране на тези кубити, тъй като способността им да пренасят информация без съпротивление е от съществено значение за създаването на стабилни квантови състояния. Една от основните пречки обаче е, че кубитите са много чувствителни към външните въздействия, като температурни колебания или електромагнитни полета. Тук на помощ може да дойде усъвършенстван свръхпроводящ материал. Чрез намаляване на декохерентността, т.е. загубата на квантова информация, подобреният свръхпроводник може да направи компютрите по-надеждни и по-малко податливи на грешки, причинени от околната среда.

Иновативно откритие: свръхпроводник с двумерен интерфейс

Изследователи от Калифорнийския университет в Ривърсайд са разработили иновативен свръхпроводящ материал, като са комбинирали немагнитен материал, с име тригонален телур, с ултратънък златен филм. Тригоналният телур е хирален материал, което означава, че молекулите му нямат огледална симетрия – изключително важно свойство в квантовата физика. С други думи, ориентацията на молекулите му влияе пряко върху неговите квантови свойства, които могат да бъдат използвани в сложните квантови системи, например в компютрите.

Като комбинират тригонален телур със злато, изследователите създават изключително чист двуизмерен интерфейс между двата материала. Този интерфейс е особено важен, тъй като позволява да се поддържа много добре дефинирана поляризация. Поляризацията е важен параметър в квантовата физика, особено за управлението на кубити. Благодарение на това свойство материалът може да се използва за по-прецизно манипулиране на кубитите, което прави квантовите изчисления по-стабилни.

Друга забележителна характеристика на материала е способността му да става по-устойчив, когато е изложен на магнитно поле, което предполага, че той може да бъде превърнат в триплетен свръхпроводник. Този тип свръхпроводник е по-устойчив на магнитните полета от конвенционалните свръхпроводници, които могат да загубят квантовите си свойства, когато са изложени на твърде силни магнитни полета. Като осигурява по-голяма устойчивост на външни смущения, този материал на практика подобрява стабилността и надеждността на квантовите системи, което е необходимо за разработването на високопроизводителни квантови компютри.

Следващи стъпки и предстоящи предизвикателства

Въпреки обещаващия характер на това откритие, остават няколко предизвикателства, преди този материал да бъде масово използван в мащабни квантови системи. Едно от основните предизвикателства е температурата, при която този материал е ефективен, често близка до абсолютната нула (0 K или -273,15 °C). Въпреки че материалът показва висока стабилност, предстои да се провери дали той може да се използва при по-високи температури, което би проправило пътя към квантови компютри, които са по-лесни за производство и експлоатация.

Изследователите също така трябва да продължат да тестват издръжливостта на материала при различни условия и да определят по какъв начин той може да бъде произведен в големи мащаби. Въпреки това получените до момента резултати са окуражаващи и сочат към бъдеще, в което този тип свръхпроводник може да играе ключова роля в развитието на квантовите компютри.