Rice-universitetets fysiker som ägnar sig åt att skapa arbetskomponenterna i en feltolerant kvantdator har lyckats skapa ett tidigare osynligt tillstånd.

Den "topologiska excitoniska isolatorn" observerades i tester på Rice av ett internationellt team från USA och Kina. Forskarna rapporterar sina fynd den här veckan i tidskriften Naturkommunikation . Deras enhet kan eventuellt användas i en topologisk kvantdator, en typ av kvantdator som lagrar information i kvantpartiklar som "flätas" ihop som knutar som inte lätt bryts. Dessa stabila, flätade "topologiska" kvantbitar, eller topologiska qubits, skulle kunna övervinna en av de primära begränsningarna för kvantberäkning idag:Qubits som är nontopologiska lätt "decohere" och förlorar den information de lagrar.

Konventionella datorer använder binär data, information som lagras som enor eller nollor. Tack vare kvantmekanikens särdrag, qubits kan representera båda, nollor och ett tredje tillstånd som är både ett och noll samtidigt.

Detta tredje tillstånd kan användas för att påskynda beräkningen, så mycket att en kvantdator med bara några dussin qubits kunde slutföra vissa beräkningar lika snabbt som ett mikrochip med en miljard binära transistorer.

I den nya studien, Risfysikern Rui-Rui Du och den tidigare Ris-doktoranden Lingjie Du (ingen relation) samarbetade med forskare från Rice, Peking University och den kinesiska vetenskapsakademin för att skapa excitoniska isolatorer gjorda av små skivor av ultrarent, staplade halvledare. Enheterna, som inte är mer än 100 mikron breda, innehåller ett ark indiumarsenid ovanpå ett ark galliumantimon. Vid kylning i ett bad med flytande helium till en kritiskt låg temperatur runt 10 kelvin, en överflödig kvantvätska bildas inuti enheterna och elektricitet slutar passera genom dem.

"Det här är väldigt likt processen i en superledare, där du har elektroner som lockas till varandra för att bilda par som flyter utan motstånd, "sa Rui-Rui Du, professor i fysik och astronomi vid Rice och forskare vid Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "I vårat fall, elektroner parar med positivt laddade "elektronhål" för att skapa en supervätska med en nettoladdning på noll. "

Lingjie Du, nu postdoktor vid Columbia University, sa, "Det är en kollektiv effekt, så till en extern observatör leder systemet elektricitet normalt tills det kyls till den kritiska temperaturen, där det plötsligt ändrar fas för att bli en perfekt isolator. "

För att bevisa att enheten var den eftersökta excitoniska isolatorn, laget fick först visa att vätskan var ett kvantkondensat. Den uppgiften tillkom Xinwei Li, en doktorand i laboratoriet för RCQM -forskaren Junichiro Kono. Li och Kono, professor i el- och datateknik vid Rice, strålade terahertz -vågor genom enheterna när de kyldes till den kritiska temperaturen och fann att proverna absorberade terahertz -energi i två olika band - en signatur av kvantkondens.

Att visa att enheten var topologisk involverade testning av elektrisk ledning i ett endimensionellt band runt omkretsen.

"Denna nya egendom i kantstaten är det som människor är mycket intresserade av, "Rui-Rui Du sa." Detta kanttillstånd har inget elektriskt motstånd, och du får ledning där elektroner är knutna till deras snurrmoment. Om de har en typ av snurr, de går medurs och om de har det andra går de moturs. "

Flätningskretsar byggda på dessa motsatta elektronströmmar skulle ha inneboende topologiska signaturer som kan användas för att bilda feltoleranta qubits.

"Den andra skönheten i detta är att samma principer fortfarande gäller vid rumstemperatur, "Rui-Rui Du sa." Det finns atomskiktade material som wolframdisulfid som potentiellt kan användas för att skapa samma effekt vid rumstemperatur, förutsatt att de kunde tillverkas i tillräckligt ren form. "