Исследование, изданное в Нано ACS, было во главе с Джеромом Млэком, постдокторским исследователем в Отделе Физики & Астрономии в Школе Пенна Искусств & Наук, и его наставников Нины Маркович, теперь адъюнкт-профессора в Гукэре, и Марии Дрндик, Фэй Р. и профессоре Юджина Л. Лангберга Физики в Пенне. Студенты градиента Пенна Гопинэт Дэнда и Сара Фриденсен, которая приняла товарищество NSF для этой работы, и профессора Исследования Партнера Джонса Хопкинса Наталию Дричко и postdoc Атикура Рахмана, теперь доцента в Образовании Индийского научного института и Исследовании, Пуне, также способствовали исследованию.
Исследование началось, в то время как Mlack был кандидатом доктора философии в Джонсе Хопкинсе. Он и другие исследователи работали над ростом и созданием устройств из топологических изоляторов, типа материала, который не проводит ток через большую часть материала, но может нести ток вдоль его поверхности.Поскольку исследователи работали с этими материалами, одно из их устройств взорвалось, подобный тому, что произойдет с коротким замыканием.«Это отчасти таяло немного», сказал Млэк, «и что мы нашли, то, что, если мы измерили сопротивление этой расплавленной области одного из этих устройств, это стало сверхпроводимостью.
Затем когда мы возвратились и посмотрели на то, что произошло с материалом и попыталось узнать то, чем элементы были там, мы только видели селенид висмута и палладий».Когда материалы сверхпроводимости охлаждены, они могут нести ток с нулевым электрическим сопротивлением, не теряя энергии.Топологические изоляторы со свойствами сверхпроводимости были предсказаны, чтобы иметь большой потенциал для создания отказоустойчивого квантового компьютера.
Однако трудно установить хороший электрический контакт между топологическим изолятором и сверхпроводником и измерить такие устройства для изготовления, используя текущие методы. Если этот новый материал мог бы быть воссоздан, он мог бы потенциально преодолеть обе из этих трудностей.
В стандартном вычислении у самой маленькой единицы данных, которые составляют компьютер и хранят информацию, двоичную цифру или бит, может быть ценность или 0, поскольку прочь, или 1, поскольку на. Квантовое вычисление использует в своих интересах явление, названное суперположением, что означает, что биты, в этом случае названные кубитами, могут быть 0 и 1 в то же время.
Известным способом иллюстрировать это явление является мысленный эксперимент, названный кошкой Шродингера. В этом мысленном эксперименте в коробке есть кошка, но каждый не знает, мертва ли кошка или жива, пока коробка не открыта. Прежде чем коробка открыта, кошку можно рассмотреть и живая и мертвую, существующую в двух государствах сразу, но, непосредственно после открытия коробки, государства кошки, или в случае кубитов, конфигурации системы, краха в один: кошка или жива или мертва, и кубит или 0 или 1.«Идея состоит в том, чтобы закодировать информацию, используя эти квантовые состояния», сказал Маркович, «но чтобы использовать его в потребностях, которые будут закодированы и будут существовать достаточно долго для Вас, чтобы читать».Одна из основных проблем в области квантового вычисления – то, что кубиты не очень стабильны, и очень легко разрушить квантовые состояния.
Эти топологические материалы обеспечивают способ заставить эти государства жить долго достаточно для прочитать их и сделать что-то с ними, сказал Маркович.«Это отчасти похоже, если коробка у кошки Шродингера была на вершине полюса флага, и малейший ветер мог просто пробить его прочь», сказал Млэк. «Идея состоит в том, что эти топологические материалы, по крайней мере, расширяют диаметр полюса флага, таким образом, коробка сидит на больше колонке, чем полюс флага. Вы можете пробить его прочь в конечном счете, но иначе очень трудно сломать коробку и узнать то, что произошло с кошкой».Хотя их начальное открытие этого материала было несчастным случаем, они смогли придумать процесс, чтобы воссоздать его способом, которым управляют.
Маркович, который был советником Млэка в Джонсе Хопкинсе в то время, предположил, что, чтобы воссоздать его, не имея необходимость все время взрывать устройства, они могли тепло отжечь его, процесс, в котором они помещают его в печь и нагревают его до определенной температуры.Используя этот метод, написали исследователи, «металл непосредственно входит в наноструктуру, обеспечивая хороший электрический контакт и может быть легко скопирован в наноструктуру, используя стандартную литографию, допуская легкую масштабируемость таможенных схем сверхпроводимости в топологическом изоляторе».
Хотя у исследователей уже есть способность создания сверхпроводимости топологический материал, есть огромная проблема в том, что, когда они соединяют два материала, есть промежуточная трещина, который уменьшает электрический контакт. Это разрушает измерения, которые они могут сделать, а также физические явления, которые могли привести к созданию устройств, которые позволят, чтобы квант вычислил.Копируя его непосредственно в кристалл, сверхпроводник включен, и нет ни одной из этих проблем контакта.
Сопротивление очень низкое, и они могут скопировать устройства для квантового вычисления в одном единственном кристалле.Чтобы проверить свойства сверхпроводимости материала, они помещают его в два чрезвычайно холодных холодильника, один из которых остывает к почти абсолютному нулю. Они также охватили магнитное поле через него, которое убьет сверхпроводимость и топологическую природу материала, чтобы узнать ограничения материала. Они также сделали стандартные электрические измерения, прокрутив ток и смотря на напряжение, которое создано.
«Я думаю, что также хорошо в данной статье, комбинация электрических транспортных эксплутационных качеств и прямого понимания от фактической характеристики материалов устройства», сказал Дрндик. «У нас есть хорошее понимание на составе этих устройств, чтобы поддержать все эти требования, потому что мы сделали элементный анализ, чтобы понять, как эти два материала присоединяются».Одна из выгоды устройства исследователей – то, что это потенциально масштабируемо, способно к установке на чип, подобный тем в настоящее время в наших компьютерах.
«Прямо сейчас главные достижения в квантовом вычислении включают очень сложные методы литографии», сказал Дрндик. «Люди делают его с нанопроводами, которые связаны с этими схемами. Если у Вас есть единственные нанопроводы, которые являются очень, очень крошечные, и затем Вы должны поместить их, в особенности помещает, это очень трудно. У большинства людей, которые находятся на центре этого исследования, есть многомиллионные средства и много людей позади них. Но это, в принципе, мы можем сделать в одной лаборатории.
Это допускает создание этих устройств простым способом. Вы можете просто пойти и написать свое устройство любым путем, Вы хотите, чтобы оно было».Согласно Mlack, хотя есть все еще изрядное количество ограничения на него; есть вся область, которая выросла посвященный предложению новых и интересных способов попытаться усилить эти квантовые состояния и информацию о кванте.
Если успешный, квантовое вычисление будет допускать много вещей.«Это будет допускать намного более быстрое декодирование и шифрование информации», сказал он, «который является, почему некоторые крупные оборонные подрядчики в NSA, а также компаниях как Microsoft, интересуются им. Это также позволит нам образцовым квантовым системам за разумное количество времени и способно к выполнению определенных вычислений и моделирований быстрее, чем можно было бы, как правило, быть в состоянии сделать».Это особенно хорошо для совершенно других видов проблем, таково как проблемы, которые требуют крупных параллельных вычислений, сказал Маркович.
Если Вы должны сделать много вещей сразу, квантовое вычисление ускоряет вещи чрезвычайно.«Есть проблемы прямо сейчас, которые взяли бы возраст вселенной, чтобы вычислить», сказала она.«С квантовым вычислением Вы были бы в состоянии сделать это в минутах». Это могло потенциально также привести к достижениям в разработке лекарственного средства и других сложных системах, а также позволить новые технологии.
Исследователи надеются начать строить некоторые более современные устройства, которые снабжены приводом к фактическому строительству кубита из систем, которые они имеют, а также испытание различных металлов, чтобы видеть, могут ли они изменить свойства материала.«Это действительно – новый потенциальный способ изготовить эти устройства, которые никто не сделал прежде», сказал Млэк. «В целом, когда люди делают некоторые из этих материалов, объединяя этот топологический материал и сверхпроводимость, это – оптовый кристалл, таким образом, Вы действительно не управляете, где все. Здесь мы можем на самом деле настроить образец, который мы превращаем в сам материал.
Это – самая захватывающая часть, особенно когда мы начинаем говорить о добавлении в различных типах металлов, которые дают ему различные особенности, ли те быть ферромагнитными материалами или элементами, которые могли бы сделать его большим количеством изолирования. Мы все еще должны видеть, работает ли это, но есть потенциал для создания этих интересных настроенных схем непосредственно в материал».
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом через гранты, которые DGE-1232825, DMR-1507782 и EFRI 2 – ОТВАЖИВАЮТСЯ 1542707.