Путь к графеновым топологическим кубитам

В квантовом мире электроны могут группироваться и вести себя интересным образом. Магнетизм - одно из таких поведений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, как и более редкое явление сверхпроводимости. Любопытно, что эти два состояния часто являются антагонистами, а это означает, что существование одного из них часто разрушает другое. Однако, если эти два противоположных квантовых состояния вынуждены искусственно сосуществовать, появляется неуловимое состояние, называемое топологическим сверхпроводником, что очень волнует исследователей, пытающихся создать топологические кубиты.

Топологические кубиты интересны как одна из потенциальных технологий для квантовых компьютеров будущего. В частности, топологические кубиты обеспечивают основу для топологических квантовых вычислений, которые привлекательны тем, что они гораздо менее чувствительны к помехам из окружающей среды, вызывающим возмущение измерений. Однако проектирование и управление топологическими кубитами остается критически открытой проблемой, в конечном итоге из-за трудности поиска материалов, способных поддерживать состояния, такие как топологические сверхпроводники.

Чтобы преодолеть неуловимость топологических сверхпроводников, которые чрезвычайно трудно найти в природных материалах, физики разработали методики для создания этих состояний путем комбинирования обычных материалов. Основные ингредиенты для создания топологических сверхпроводников - магнетизм и сверхпроводимость - часто требуют сочетания совершенно разных материалов. Более того, создание топологического сверхпроводящего материала требует возможности тонкой настройки магнетизма и сверхпроводимости, поэтому исследователи должны доказать, что их материал может быть как магнитным, так и сверхпроводящим одновременно, и что они могут контролировать оба свойства. В поисках такого материала исследователи обратились к графену.

Графен считается одним из важнейших материалов для квантовых технологий. Однако сосуществование магнетизма и сверхпроводимости в графене остается неуловимым, несмотря на давние экспериментальные усилия, которые продемонстрировали существование этих двух состояний независимо. Это фундаментальное ограничение представляет собой серьезное препятствие на пути развития искусственной топологической сверхпроводимости в графене.

В недавнем революционном эксперименте исследователи из UAM в Испании, CNRS во Франции и INL в Португалии вместе с теоретической поддержкой профессора Хосе Ладо (Jose Lado) из Университета Аалто продемонстрировали первый шаг на пути к топологическим кубитам в графене. Исследователи показали, что отдельные слои графена могут одновременно обладать магнетизмом и сверхпроводимостью, измеряя квантовые возбуждения, уникальные для этого взаимодействия. Это революционное открытие было достигнуто путем объединения магнетизма кристаллических доменов в графене и сверхпроводимости осажденных металлических островков.

«Этот эксперимент показывает, что два ключевых парадигматических квантовых порядка, сверхпроводимость и магнетизм, могут одновременно сосуществовать в графене, - сказал профессор Хосе Ладо. - В конечном итоге этот эксперимент демонстрирует, что графен может одновременно содержать необходимые ингредиенты для топологической сверхпроводимости. Хотя в текущем эксперименте мы еще не наблюдали топологическую сверхпроводимость, опираясь на этот эксперимент, мы потенциально можем открыть новый путь к топологическим кубитам на основе углерода».

Исследователи индуцировали сверхпроводимость в графене, разместив островок обычного сверхпроводника близко к границам зерен, естественным образом образуя в графене швы, которые имеют несколько отличные от остального материала магнитные свойства. Было продемонстрировано, что сверхпроводимость и магнетизм границ зерен приводят к возникновению состояний Ю-Шиба—Русинова (Yu-Shiba-Rusinov), которые могут присутствовать в материале только при сосуществовании магнетизма и сверхпроводимости. Явления, которые команда наблюдала в эксперименте, совпадают с теоретической моделью, разработанной профессором Ладо, показывая, что исследователи могут полностью контролировать квантовые явления в созданной ими гибридной системе.

Демонстрация состояний Ю-Шиба—Русинова в графене - первый шаг к окончательному развитию топологических кубитов на основе графена. В частности, путем тщательного управления состояниями Ю-Шиба-Русинова могут быть созданы топологическая сверхпроводимость и состояния Майорана. Топологические кубиты, основанные на майорановских состояниях, потенциально могут радикально преодолеть ограничения существующих кубитов, защищая квантовую информацию, используя природу этих нетрадиционных состояний. Возникновение этих состояний требует тщательного контроля параметров системы. Текущий эксперимент устанавливает критическую отправную точку для достижения этой цели, которая, как мы надеемся, откроет прорывной путь к топологическим квантовым компьютерам на основе углерода.

Схематическая иллюстрация взаимодействия магнетизма и сверхпроводимости на границе зерна графена, потенциальном строительном блоке для топологических кубитов на основе углерода

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365