Forskere ved University College Cork (UCC) i Irland har udviklet et kraftfuldt nyt værktøj til at finde den næste generation af materialer, der er nødvendige til storskala, fejltolerant kvanteberegning.
Det betydelige gennembrud betyder, at forskere for første gang har fundet en måde at bestemme en gang for alle, om et materiale effektivt kan bruges i visse kvanteberegningsmikrochips.
De vigtigste fund er blevet offentliggjort i Videnskab og er resultatet af et stort internationalt samarbejde, der inkluderer førende teoretisk arbejde fra prof. Dung-Hai Lee ved University of California, Berkeley og materialesyntese fra professorer Sheng Ran og Johnpierre Paglione ved Washington University i St. Louis og University of Maryland.
Ved hjælp af udstyr, der findes i kun tre laboratorier over hele verden, var forskere ved Davis -gruppen baseret på UCC i stand til definitivt at bestemme, om uranditellurid (Ute 2), som er en kendt superleder, havde de egenskaber, der kræves for at være en iboende topologisk superleder.
En topologisk superleder er et unikt materiale, der på sin overflade er vært for nye kvantepartikler ved navn Majorana Fermions. I teorien kan de bruges til stabilt at gemme kvanteinformation uden at blive forstyrret af den støj og lidelse, der pest præsenterer kvantecomputere. Fysikere har været på jagt efter en iboende topologisk superleder i årtier, men intet materiale har nogensinde opdaget krydset alle kasser.
Ute 2 havde været betragtet som et stærkt kandidatmateriale til iboende topologisk superledningsevne siden dens opdagelse i 2019. Imidlertid havde ingen forskning definitivt evalueret sin egnethed – indtil nu.
Brug af et scanningstunnelingmikroskop (STM), der opererer i en ny tilstand opfundet af Séamus Davis, professor i kvantefysik ved UCC, et team ledet af Joe Carroll, en ph.d. Forsker ved Davis Group og Kuanysh Zhussupbekov, en Marie Curie Postdoctoral Fellow, var i stand til at afslutte en gang for alle om ute 2 er den rigtige slags topologiske superleder.
Eksperimenterne udført ved hjælp af “Andreev” STM – kun fundet i prof. Davis ‘laboratorier i Cork, Oxford University i Storbritannien og Cornell University i New York – afslørede det Ute 2 er faktisk en iboende topologisk superleder, men ikke nøjagtigt den slags, som fysikere har søgt for.
Imidlertid er det første-af-dets slags eksperiment et gennembrud i sig selv.
Da han blev spurgt om eksperimentet, beskrev Mr. Carroll det som følger: “Traditionelt har forskere søgt efter topologiske superledere ved at foretage målinger ved hjælp af metalliske sonder. De gør dette, fordi metaller er enkle materialer, så de spiller i det væsentlige ingen rolle i eksperimentet.
“Hvad er nyt ved vores teknik er, at vi bruger en anden superleder til at undersøge overfladen af Ute2. Dermed udelukker vi de normale overfladeelektroner fra vores målinger og efterlader kun Majorana -fermionerne. “
Carroll fremhævede endvidere, at denne teknik ville give forskere mulighed for direkte at bestemme, om andre materialer er egnede til topologisk kvanteberegning.
Kvantecomputere har kapacitet til at svare på sekunder den slags komplekse matematiske problemer, der vil tage de nuværende generation af computere år at løse. Lige nu kæmper regeringer og virksomheder over hele verden for at udvikle kvanteprocessorer med flere og flere kvantebits, men den ustabile karakter af disse kvanteberegninger holder tilbage betydelige fremskridt.
Tidligere i år annoncerede Microsoft Majorana 1, som virksomheden har sagt, er “verdens første kvantebehandlingsenhed (QPU) drevet af en topologisk kerne.”
Microsoft forklarede, at for at opnå dette fremskridt var syntetiske topologiske superledere baseret på detaljerede konstruerede stabler af konventionelle materialer påkrævet.
Imidlertid betyder Davis -gruppens nye arbejde, at forskere nu kan finde enkeltmaterialer til at erstatte disse komplicerede kredsløb, hvilket potentielt kan føre til større effektivitet i kvanteprocessorer og tillade mange flere qubits på en enkelt chip, hvilket bevæger os tættere på den næste generation af kvanteberegning.