Kvantdatorernas genomslag i samhället dröjer, vilket beror på deras känslighet för störningar i omgivningen. Nu presenterar forskare från Chalmers, Aalto-universitetet och Helsingfors universitet ett nytt slags exotiskt kvantmaterial, och en metod för att skapa stabilitet med hjälp av magnetism. Det kan göra kvantdatorerna betydligt mer motståndskraftiga – och i förlängningen robusta nog för att ta sig an kvantberäkningar i praktiken.
På atomernas storleksskala råder andra fysiklagar än i vår vardagliga storskaliga värld. Där lyder partiklar under kvantfysikens lagar, vilket innebär att de kan existera i flera tillstånd samtidigt och ha effekter på varandra som inte är möjliga inom klassisk fysik. Dessa egendomliga men kraftfulla fenomen ligger till grund för kvantberäkningar och kvantdatorer, som har potential att lösa problem som ingen konventionell superdator klarar av idag.
Men fysikerna behöver lösa en stor utmaning innan kvantberäkningar kan bli användbara i samhället. Kvantbitarna, de grundläggande enheterna i en kvantdator, är nämligen extremt känsliga. Minsta förändring i temperatur, magnetfält, eller till och med mikroskopiska vibrationer, får kvantbitarna att förlora sina kvanttillstånd – och därmed också förmågan att kunna genomföra komplexa beräkningar på ett tillförlitligt sätt.
För att lösa problemet har forskare på senare år börjat utforska möjligheten att skapa material som i sin grundläggande struktur – sin topologi – kan ge kvantbitar ett bättre skydd mot den här typen av störningar. Kvanttillstånd som uppstår och bibehålls genom materialets struktur kallas topologiska excitationer, och är betydligt mer motståndskraftiga än andra. Men än så länge kvarstår utmaningen att hitta material som på naturlig väg kan stödja sådana stabila kvanttillstånd.
Nyutvecklat material skyddar mot störningar
Nu har ett forskarlag på Chalmers, Aalto-universitetet och Helsingfors universitet utvecklat ett nytt kvantmaterial som uppvisar robusta topologiska excitationer. Genombrottet är ett viktigt steg mot att förverkliga praktisk topologisk kvantberäkning genom att konstruera stabilitet direkt i materialets design.
– Det här är ett helt nytt slags exotiskt kvantmaterial som kan bibehålla sina kvantegenskaper när det utsätts för störningar utifrån. Det kan bidra till utvecklingen av kvantdatorer som är robusta nog för att ta sig an kvantberäkningar i praktiken, säger Guangze Chen, postdoktor i tillämpad kvantfysik på Chalmers och huvudförfattare till studien som har publicerats i tidskriften Physical Review Letters.
Exotiska kvantmaterial är ett paraplybegrepp för flera nya klasser av fasta ämnen med extrema kvantegenskaper. Jakten på sådana material, med speciella motståndskraftiga egenskaper, har varit en långvarig utmaning.
Magnetism är nyckeln i den nya strategin
Traditionellt har forskare följt ett väletablerat ”recept” som bygger på så kallad spinn-bankoppling. Det är en kvantinteraktion som kopplar elektronens spinn till dess rörelsebana runt atomkärnan, för att på så vis skapa topologiska excitationer. Men denna ”ingrediens” är relativt sällsynt, och metoden kan därför bara användas på ett begränsat antal material.
I studien presenterar forskarteamet en helt ny metod som använder magnetism – en betydligt vanligare och mer lättillgänglig ingrediens – för att uppnå samma effekt. Genom att utnyttja magnetiska interaktioner kunde forskarna konstruera de robusta topologiska excitationer som krävs för topologisk kvantberäkning.
– Fördelen med vår metod är att magnetism finns naturligt i många material. Man kan likna det vid att baka med vardagliga ingredienser i stället för med sällsynta kryddor, förklarar Guangze Chen. Det innebär att vi nu kan söka efter topologiska egenskaper i ett mycket bredare spektrum av material, också sådana som man tidigare har förbisett.
Banar väg för nästa generations plattformar för kvantdatorer
För att påskynda upptäckten av nya material med användbara topologiska egenskaper har forskarteamet också utvecklat ett nytt beräkningsverktyg. Det kan direkt beräkna hur starkt topologiskt beteende ett material uppvisar.
– Vår förhoppning är att denna metod kan bidra till upptäckter av många fler exotiska material, säger Guangze Chen. I förlängningen kan detta leda till nästa generations kvantdatorplattformar, byggda på material som på naturlig väg står emot de störningar som hämmar dagens system.
Mer om studien:
Den vetenskapliga artikeln Topological Zero Modes and Correlation Pumping in an Engineered Kondo Lattice har publicerats i tidskriften Physical Review Letters. Forskningen har utförts av Zina Lippo vid Helsingfors universitet, Elizabeth Louis Pereira och Jose L. Lado vid Aalto-universitetet, och Guangze Chen vid Chalmers tekniska högskola.
- Postdoc, Tillämpad kvantfysik, Mikroteknologi och nanovetenskap