Forskare från University of Pennsylvania, i samarbete med Johns Hopkins University och Goucher College, har upptäckt ett nytt topologiskt material som kan möjliggöra feltolerant kvantberäkning. Det är en databehandling som utnyttjar kraften hos atomer och subatomära fenomen för att utföra beräkningar betydligt snabbare än nuvarande datorer och potentiellt kan leda till framsteg inom läkemedelsutveckling och andra komplexa system.

Forskningen, publicerad i ACS Nano , leddes av Jerome Mlack, en postdoktor vid Institutionen för fysik och astronomi i Penn's School of Arts &Sciences, och hans mentorer Nina Markovic, nu docent på Goucher, och Marija Drndic, Fay R. och Eugene L. Langberg professor i fysik vid Penn. Penn grad studenter Gopinath Danda och Sarah Friedensen, som fick en NSF -stipendium för detta arbete, och Johns Hopkins docent Natalia Drichko och postdoc Atikur Rahman, nu assisterande professor vid Indian Institute of Science Education and Research, Pune, bidragit också till studien.

Forskningen började medan Mlack var doktorand. kandidat på Johns Hopkins. Han och andra forskare arbetade med att odla och göra enheter av topologiska isolatorer, en typ av material som inte leder ström genom huvuddelen av materialet men kan bära ström längs dess yta.

När forskarna arbetade med dessa material, en av deras enheter sprängdes, liknande det som skulle hända med en kortslutning.

"Det smälte lite, "Mlack sa, "och det vi fann är att om vi mätte motståndet för detta smälta område på en av dessa enheter, det blev supraledande. Sedan, när vi gick tillbaka och tittade på vad som hände med materialet och försökte ta reda på vilka element som fanns där, vi såg bara vismutselenid och palladium. "

När superledande material kyls, de kan bära en ström med noll elektrisk motstånd utan att förlora någon energi.

Topologiska isolatorer med supraledande egenskaper har förutspåtts ha stor potential för att skapa en feltolerant kvantdator. Dock, det är svårt att få god elektrisk kontakt mellan den topologiska isolatorn och superledaren och att skala sådana anordningar för tillverkning, med nuvarande teknik. Om detta nya material kunde återskapas, det kan eventuellt övervinna båda dessa svårigheter.

I standardberäkning, den minsta dataenhet som utgör datorn och lagrar information, den binära siffran, eller lite, kan ha värdet antingen 0, för av, eller 1, för på. Quantum computing utnyttjar ett fenomen som kallas superposition, vilket betyder att bitarna, i detta fall kallas qubits, kan vara 0 och 1 samtidigt.

Ett känt sätt att illustrera detta fenomen är ett tankeexperiment som kallas Schrodingers katt. I detta tankeexperiment, det finns en katt i en låda, men man vet inte om katten är död eller lever förrän lådan öppnas. Innan lådan öppnas, katten kan anses vara både levande och död, finns i två stater samtidigt, men, omedelbart när lådan öppnas, kattens tillstånd, eller vid qubits, systemets konfiguration, kollapsar till en:katten är antingen levande eller död och qubit är antingen 0 eller 1.

"Tanken är att koda information med hjälp av dessa kvanttillstånd, "Markovic sa, "men för att kunna använda den måste den kodas och finnas tillräckligt länge för att du ska kunna läsa."

Ett av de stora problemen inom kvantberäkning är att qubiterna inte är särskilt stabila och det är väldigt lätt att förstöra kvanttillstånden. Dessa topologiska material ger ett sätt att få dessa stater att leva tillräckligt länge för att kunna läsa av dem och göra något med dem, Sa Markovic.

"Det är ungefär som om lådan i Schrodingers katt låg på toppen av en flaggstång och den minsta vinden bara kunde slå av den, "Mlack sa." Tanken är att dessa topologiska material åtminstone vidgar diametern på flaggstången så att lådan sitter på mer en kolumn än en flaggstång. Du kan slå av det så småningom, men det är annars väldigt svårt att bryta lådan och ta reda på vad som hände med katten. "

Även om deras första upptäckt av detta material var en olycka, de kunde hitta på en process för att återskapa den på ett kontrollerat sätt.

Markovic, som var Mlacks rådgivare vid Johns Hopkins vid den tiden, föreslog att, för att återskapa det utan att ständigt behöva spränga enheter, de kunde termiskt glöda det, en process där de lägger den i en ugn och värmer den till en viss temperatur.

Med denna metod, forskarna skrev, "metallen går direkt in i nanostrukturen, ger god elektrisk kontakt och kan enkelt mönstras in i nanostrukturen med hjälp av standard litografi, möjliggör enkel skalbarhet av anpassade supraledande kretsar i en topologisk isolator. "

Även om forskare redan har förmågan att göra ett superledande topologiskt material, det finns ett stort problem i det faktum att när de sätter ihop två material, det är en spricka däremellan, vilket minskar den elektriska kontakten. Detta förstör de mätningar som de kan göra såväl som de fysiska fenomen som kan leda till tillverkning av enheter som möjliggör kvantberäkning.

Genom att mönstra den direkt i kristallen, superledaren är inbäddad, och det finns inga av dessa kontaktproblem. Motståndet är mycket lågt, och de kan mönstra enheter för kvantberäkning i en enda kristall.

För att testa materialets supraledande egenskaper, de lägger den i två extremt kalla kylskåp, varav en svalnar till nästan absolut noll. De svepte också ett magnetfält över det, som skulle döda materialets supraledning och topologiska natur, för att ta reda på materialets begränsningar. De gjorde också vanliga elektriska mätningar, köra igenom en ström och titta på spänningen som skapas.

"Jag tycker att det som också är trevligt i detta dokument är kombinationen av den elektriska transportprestandan och de direkta insikterna från den faktiska enhetens materialkarakterisering, "Drndic sa." Vi har goda insikter om sammansättningen av dessa enheter för att stödja alla dessa påståenden eftersom vi gjorde grundläggande analyser för att förstå hur dessa två material sammanfogar. "

En av fördelarna med forskarnas enhet är att den är potentiellt skalbar, kan passa på ett chip som liknar det som för närvarande finns i våra datorer.

"Just nu innebär de främsta framstegen inom kvantberäkning mycket komplicerade litografimetoder, "Drndic sa." Folk gör det med nanotrådar som är anslutna till dessa kretsar. Om du har enstaka nanotrådar som är mycket väldigt liten och då måste du placera dem på särskilda platser, det är väldigt svårt. De flesta människor som ligger i framkant av denna forskning har anläggningar på flera miljoner dollar och många människor bakom sig. Men det här, i princip, vi kan göra i ett labb. Det gör det möjligt att göra dessa enheter på ett enkelt sätt. Du kan bara gå och skriva din enhet hur du vill att den ska vara. "

Enligt Mlack, även om det fortfarande finns en rimlig begränsning av det; det finns ett helt fält som har växt fram för att komma med nya och intressanta sätt att försöka utnyttja dessa kvanttillstånd och kvantinformation. Om det lyckas, quantum computing kommer att möjliggöra ett antal saker.

"Det kommer att möjliggöra mycket snabbare dekryptering och kryptering av information, " han sa, "varför några av de stora försvarsentreprenörerna i NSA, liksom företag som Microsoft, är intresserad av det. Det kommer också att göra det möjligt för oss att modellera kvantsystem på en rimlig tid och kan göra vissa beräkningar och simuleringar snabbare än man vanligtvis skulle kunna göra. "

Det är särskilt bra för helt olika typer av problem, problem som kräver massiva parallella beräkningar, Sa Markovic. Om du behöver göra många saker samtidigt, quantum computing påskyndar saker enormt.

"Det finns problem just nu som skulle ta universums ålder att beräkna, " Hon sa.

"Med kvantberäkning, du skulle kunna göra det på några minuter. "Detta kan potentiellt också leda till framsteg inom läkemedelsutveckling och andra komplexa system, samt möjliggöra ny teknik.

Forskarna hoppas kunna börja bygga några mer avancerade enheter som är inriktade på att faktiskt bygga en qubit ur de system som de har, samt testa olika metaller för att se om de kan ändra materialets egenskaper.

"Det är verkligen ett nytt potentiellt sätt att tillverka dessa enheter som ingen har gjort tidigare, "Mlack sa." I allmänhet, när människor gör några av dessa material genom att kombinera detta topologiska material och supraledning, det är en bulk kristall, så du kontrollerar inte riktigt var allt är. Här kan vi faktiskt anpassa mönstret som vi gör till själva materialet. Det är den mest spännande delen, särskilt när vi börjar prata om att lägga till olika typer av metaller som ger det olika egenskaper, oavsett om det är ferromagnetiska material eller element som kan göra det mer isolerande. Vi måste fortfarande se om det fungerar, men det finns en potential för att skapa dessa intressanta anpassade kretsar direkt i materialet. "