Forskare runt om i världen utvecklar ny hårdvara för kvantdatorer, en ny typ av enhet som kan påskynda läkemedelsdesign, finansiell modellering, och väderprognoser. Dessa datorer är beroende av qubits, materiabitar som kan representera någon kombination av 1 och 0 samtidigt. Problemet är att qubits är ombytliga, degraderas till vanliga bitar när interaktioner med omgivande materia stör. Men ny forskning vid MIT föreslår ett sätt att skydda sina stater, med hjälp av ett fenomen som kallas många kroppslokalisering (MBL).

MBL är en speciell fas av materia, föreslog för decennier sedan, det är till skillnad från fast eller flytande. Vanligtvis, materia kommer till termisk jämvikt med sin omgivning. Det är därför soppan svalnar och isbitar smälter. Men i MBL, ett föremål som består av många starkt samverkande kroppar, som atomer, når aldrig en sådan jämvikt. Värme, som ljud, består av kollektiva atomvibrationer och kan färdas i vågor; ett föremål har alltid sådana värmeböljor internt. Men när det finns tillräckligt med oordning och tillräckligt med interaktion i hur dess atomer är ordnade, vågorna kan bli fångade, på så sätt förhindrar objektet att nå jämvikt.

MBL hade visats i "optiska gitter, " arrangemang av atomer vid mycket kalla temperaturer som hålls på plats med hjälp av lasrar. Men sådana inställningar är opraktiska. MBL hade också utan tvekan visats i solida system, men bara med mycket långsam temporal dynamik, där fasens existens är svår att bevisa eftersom jämvikt kan uppnås om forskarna kunde vänta tillräckligt länge. MIT-forskningen hittade en signatur av MBL i ett "solid-state"-system - ett gjord av halvledare - som annars skulle ha nått jämvikt under den tid det sågs.

"Det kan öppna ett nytt kapitel i studiet av kvantdynamik, " säger Rahul Nandkishore, en fysiker vid University of Colorado i Boulder, som inte var involverad i arbetet.

Mingda Li, Norman C Rasmussen biträdande professor i kärnkraftsvetenskap och teknik vid MIT, ledde den nya studien, publicerad i ett nyligen utgåva av Nanobokstäver . Forskarna byggde ett system som innehöll alternerande halvledarlager, skapa en mikroskopisk lasagne - aluminiumarsenid, följt av galliumarsenid, och så vidare, för 600 lager, vardera 3 nanometer (miljondelar av en millimeter) tjock. Mellan lagren spred de "nanodots, " 2-nanometer partiklar av erbiumarsenid, att skapa oordning. Lasagnen, eller "supergaller, " kom i tre recept:ett utan nanodots, en där nanodots täckte 8 procent av varje lagers yta, och en där de täckte 25 procent.

Enligt Li, laget använde lager av material, istället för ett bulkmaterial, för att förenkla systemet så att värmeavledning över planen var i huvudsak endimensionell. Och de använde nanodots, istället för bara kemiska föroreningar, att skruva upp störningen.

För att mäta om dessa oordnade system fortfarande håller sig i jämvikt, forskarna mätte dem med röntgenstrålar. Med hjälp av den avancerade fotonkällan vid Argonne National Lab, de sköt strålar med en energi på mer än 20, 000 elektronvolt, och för att lösa energiskillnaden mellan den inkommande röntgenstrålen och efter dess reflektion från provets yta, med en energiupplösning mindre än en tusendels elektronvolt. För att undvika att penetrera supergittret och träffa det underliggande substratet, de sköt den i en vinkel på bara en halv grad från parallellen.

Precis som ljus kan mätas som vågor eller partiklar, så också kan värma. Den kollektiva atomvibrationen för värme i form av en värmebärande enhet kallas fonon. Röntgenstrålar interagerar med dessa fononer, och genom att mäta hur röntgenstrålar reflekteras från provet, försöksledarna kan avgöra om det är i jämvikt.

Forskarna fann att när supergittret var kallt - 30 kelvin, ungefär -400 grader Fahrenheit - och den innehöll nanodots, dess fononer vid vissa frekvenser kvar var inte i jämvikt.

Mer arbete återstår för att definitivt bevisa att MBL har uppnåtts, men "denna nya kvantfas kan öppna upp en helt ny plattform för att utforska kvantfenomen, "Li säger, "med många potentiella tillämpningar, från termisk lagring till kvantberäkning."

För att skapa qubits, vissa kvantdatorer använder materiafläckar som kallas kvantprickar. Li säger att kvantprickar som liknar Lis nanoprickar kan fungera som kvantbitar. Magneter kunde läsa eller skriva deras kvanttillstånd, medan den många kroppslokaliseringen skulle hålla dem isolerade från värme och andra miljöfaktorer.

När det gäller värmelagring, ett sådant supergitter kan växla in och ut ur en MBL-fas genom att magnetiskt kontrollera nanodotterna. Det kan isolera datordelar från värme i ett ögonblick, låt sedan delar sprida värme när det inte orsakar skada. Eller det kan tillåta värme att byggas upp och senare utnyttjas för att generera elektricitet.

Bekvämt, supergitter med nanodots kan konstrueras med traditionella tekniker för tillverkning av halvledare, tillsammans med andra delar av datorchips. Enligt Li, "Det är ett mycket större designutrymme än med kemisk dopning, och det finns många applikationer."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.