У журналах Nature та Science група вчених із Вашингтонського університету повідомила про виявлення ознак теоретично перспективних топологічних кубітів – еніонів (не плутати з аніонами). Свого часу топологічні квантові обчислення та еніони як кубити запропонував використовувати російський фізик Олексій Китаєв, але з практичною і навіть експериментальною реалізацією цих можливостей так і не склалося. Нове відкриття обіцяє з цим допомогти.
Загалом топологічні квантові обчислення припускають використовувати топологічні кубити, які від звичайних кубитів відрізняються дуже високою стійкістю до зовнішніх збурень. Це означає, що квантова система буде вільна від помилок навіть за досить великої кількості кубитів у системі. Китаєв запропонував на роль топологічних кубитів двовимірні топологічні фази з аніонами, у яких спостерігається дробовий квантовий ефект Холла (FQAH, fractional quantum anomalous Hall).
І ось тепер про надійне виявлення ознак дрібного ефекту Холла повідомили американські вчені. Відкриття знаменує собою перший і перспективний крок у створенні відмовостійкого кубіту, тому що стани FQAH можуть містити еніони — дивні «квазічастки», які мають лише частину заряду електрона. Деякі типи аніонів, як передбачав Китаїв, можна використовувати для створення так званих «топологічно захищених» кубітів, стійких до будь-яких невеликих локальних збурень.
“Це дійсно встановлює нову парадигму для вивчення в майбутньому квантової фізики з дрібними збудженнями”, – сказав Сяодун Сюй (Xiaodong Xu), провідний автор робіт, який також є заслуженим професором фізики Boeing і професором матеріалознавства та інженерії в Університеті Вашингтона.
Досягти заявленого ефекту вчені змогли при постановці експерименту з двома «лусочками» такого двовимірного напівпровідникового матеріалу, як телурид молібдену (MoTe 2 ). Одну пластинку завтовшки атом наклали на іншу і злегка повернули, щоб атомні грати утворили муар. В результаті електрони вишикувалися в структуру, яка відтворила нову екзотичну форму матерії зі своїми властивостями.
Наприклад, структура виявила магнетизм без застосування зовнішнього магнітного поля. І якщо у звичайних умовах для виникнення квантового ефекту Холла потрібні найсильніші магнітні поля, що ставить хрест на практичній цінності явища, то в новому стані речовини внутрішній магнетизм призвів до виникнення цього ефекту та до появи еніонів (до «розщеплення» заряду взаємодіючих електронів на дроб стійкі частини). З цього виникає стійкість кубітів і можливість їхнього пов’язаного чи заплутаного стану — все, що потрібно для стійких квантових обчислень.
Більше того, запропонована платформа обіцяє допомогти у дослідженні інших не менш екзотичних квазічастинок, також запропонованих Китаєвим у кандидати топологічних кубітів — неабельових еніонів.
«Цей тип топологічного кубіта буде принципово відрізнятися від тих, які можуть бути створені зараз, – сказав докторант фізики Університету Вашингтона Ерік Андерсон (Eric Anderson), провідний автор статті у Science та співавтор статті у Nature. — Дивна поведінка неабельових еніонів зробила б їх набагато надійнішими як платформу квантових обчислень».