Fysiker som studerar det konstiga beteendet hos metalllegeringar som kallas tunga fermioner har gjort en överraskande upptäckt som kan vara användbar för att skydda informationen som lagras i kvantbitar, eller qubits, grundenheterna för kodad information i kvantdatorer.

I en studie i Förfaranden från National Academy of Sciences , forskare från Rice University och Wien University of Technology (TU Wien) i Österrike undersökte beteendet hos en intermetallisk kristall av cerium, palladium och kisel eftersom det utsattes för extrem kyla och ett starkt magnetfält. Till deras förvåning, de fann att de kunde omvandla materialets kvantbeteende på två unika sätt, en där elektroner tävlar om att ockupera orbitaler och en annan där de tävlar om att ockupera spinntillstånd.

"Effekten är så uttalad med en grad av frihet att den slutar befria den andra, "sa Rices Qimiao Si, med-motsvarande författare till studien och direktören för Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Du kan i huvudsak justera systemet för att maximera skadan på en av dessa, lämnar den andra väldefinierade. "

Si sa att resultatet kan vara viktigt för företag som Google, IBM, Intel och andra som tävlar om att utveckla kvantdatorer. Till skillnad från dagens digitala datorer, som använder elektricitet eller ljus för att koda information, kvantdatorer använder kvanttillstånd för subatomära partiklar som elektroner för att lagra information i qubits. En praktisk kvantdator kan överträffa sin digitala motsvarighet på många sätt, men tekniken är fortfarande i sin linda, och ett av de främsta hindren är bräckligheten i kvanttillstånden inuti qubiterna.

"Du behöver ett väldefinierat kvanttillstånd om du vill vara säker på att informationen som lagras i en qubit inte kommer att förändras på grund av bakgrundsstörningar, "Sa Si.

Varje elektron fungerar som en snurrande magnet, och dess snurr beskrivs i ett av två värden, upp eller ner. I många qubit -mönster, information är kodad i dessa snurr, men dessa tillstånd kan vara så ömtåliga att även små mängder ljus, värme, vibrationer eller ljud kan få dem att vända från ett tillstånd till ett annat. Att minimera den information som går förlorad för sådan "avkoherens" är ett stort problem i qubit -design, Sa Si.

I den nya studien, Si arbetade med mångårig samarbetspartner Silke Paschen från TU Wien för att studera ett material där elektronernas kvanttillstånd förvrängs inte bara när det gäller deras snurr utan också när det gäller deras orbitaler.

"Vi konstruerade ett system, realiseras i vissa teoretiska modeller och samtidigt realiseras i ett material, där snurr och orbitaler är nästan lika och är starkt kopplade ihop, " han sa.

Från tidigare forskning 2012, Si, Paschen och kollegor visste att elektroner i föreningen kunde få varandra att interagera så starkt att materialet skulle genomgå en dramatisk förändring vid en kritiskt kall temperatur. På vardera sidan av denna "kvantkritiska punkt, "elektroner i nyckelorbitaler skulle ordna sig på ett helt annat sätt, med skiftet som enbart sker på grund av kvantinteraktionerna mellan dem.

Den tidigare studien åberopade en välkänd teori Si och kollaboratörer utvecklade 2001 som föreskriver hur snurren på dessa lokaliserade elektroner, som är en del av atomer inuti legeringen, starkt par med fritt flödande ledningselektroner vid den kvantkritiska punkten. Enligt denna "lokala kvantkritiska" teori, när materialet kyls och närmar sig den kritiska punkten, snurren på lokaliserade elektroner och ledningselektroner börjar tävla om att uppta särskilda spinntillstånd. Den kvantkritiska punkten är tipppunkten där denna tävling förstör det ordnade arrangemanget av de lokaliserade elektronerna och de istället blir helt intrasslade med ledningselektronerna.

Även om Si har studerat kvantkritik i nästan 20 år, han blev förvånad över resultaten av Paschens senaste experiment.

"De nya uppgifterna var helt förvirrande för oss alla, "sa han." Det vill säga tills vi insåg att systemet inte bara innehöll snurr utan också orbitaler som aktiva frihetsgrader. "

Med den insikten, Si team, inklusive Rice -doktorand Ang Cai, byggt en teoretisk modell som innehåller både snurr och orbitaler. Deras detaljerade analys av modellen avslöjade en överraskande form av kvantkritik som gav en klar förståelse av experimenten.

"Det var en chock för mig, både ur det teoretiska modellperspektivet och experimenten, "sa han." Även om det här är en soppa av saker - snurrar, orbitaler som alla är starkt kopplade till varandra och till bakgrundsledningselektroner - vi skulle kunna lösa två kvantkritiska punkter i detta enda system under inställning av en parameter, som är magnetfältet. Och vid var och en av de kvantkritiska punkterna, bara snurrningen eller orbitalet driver kvantkritiken. Den andra är mer eller mindre en åskådare. "