Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, in samenwerking met Johns Hopkins University en Goucher College, hebben een nieuw topologisch materiaal ontdekt dat fouttolerante kwantumcomputers mogelijk maakt. Het is een vorm van computergebruik die gebruikmaakt van de kracht van atomen en subatomaire verschijnselen om berekeningen aanzienlijk sneller uit te voeren dan de huidige computers en mogelijk kan leiden tot vooruitgang in de ontwikkeling van geneesmiddelen en andere complexe systemen.

Het onderzoek, gepubliceerd in ACS Nano , werd geleid door Jerome Mlack, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde in Penn's School of Arts &Sciences, en zijn mentoren Nina Markovic, nu universitair hoofddocent aan Goucher, en Marija Drndic, Fay R. en Eugene L. Langberg, hoogleraar natuurkunde aan Penn. Penn grad studenten Gopinath Danda en Sarah Friedensen, die voor dit werk een NSF-beurs ontving, en Johns Hopkins Associate Research Professor Natalia Drichko en postdoc Atikur Rahman, nu een assistent-professor aan het Indian Institute of Science Education and Research, Poona, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Het onderzoek begon terwijl Mlack een Ph.D. kandidaat bij Johns Hopkins. Hij en andere onderzoekers werkten aan het kweken en maken van apparaten van topologische isolatoren, een soort materiaal dat geen stroom geleidt door het grootste deel van het materiaal, maar wel stroom langs het oppervlak kan voeren.

Terwijl de onderzoekers met deze materialen werkten, een van hun apparaten ontplofte, vergelijkbaar met wat er zou gebeuren met een kortsluiting.

"Het smolt een beetje, "Mlak zei, "en wat we vonden is dat, als we de weerstand van dit gesmolten gebied van een van deze apparaten zouden meten, het werd supergeleidend. Vervolgens, toen we teruggingen en keken wat er met het materiaal gebeurde en probeerden te achterhalen welke elementen erin zaten, we zagen alleen bismutselenide en palladium."

Wanneer supergeleidende materialen worden gekoeld, ze kunnen een stroom voeren zonder elektrische weerstand zonder energie te verliezen.

Er is voorspeld dat topologische isolatoren met supergeleidende eigenschappen een groot potentieel hebben voor het creëren van een fouttolerante kwantumcomputer. Echter, het is moeilijk om goed elektrisch contact te maken tussen de topologische isolator en de supergeleider en om dergelijke apparaten te schalen voor fabricage, met behulp van huidige technieken. Als dit nieuwe materiaal opnieuw zou kunnen worden gemaakt, het zou mogelijk beide moeilijkheden kunnen overwinnen.

Bij standaard computergebruik, de kleinste gegevenseenheid waaruit de computer bestaat en informatie opslaat, het binaire cijfer, baan, kan een waarde hebben van 0, voor uit, of 1, voor op. Quantum computing maakt gebruik van een fenomeen genaamd superpositie, wat betekent dat de bits, in dit geval qubits genoemd, kan tegelijkertijd 0 en 1 zijn.

Een bekende manier om dit fenomeen te illustreren is een gedachte-experiment genaamd Schrödinger's kat. In dit gedachte-experiment er zit een kat in een doos, maar je weet pas of de kat dood of levend is als de doos wordt geopend. Voordat de doos wordt geopend, de kat kan zowel levend als dood worden beschouwd, bestaande in twee staten tegelijk, maar, onmiddellijk na het openen van de doos, de toestand van de kat, of in het geval van qubits, de configuratie van het systeem, valt in één:de kat is levend of dood en de qubit is 0 of 1.

"Het idee is om informatie te coderen met behulp van deze kwantumtoestanden, "Markovic zei, "maar om het te kunnen gebruiken, moet het gecodeerd zijn en lang genoeg bestaan ​​om te kunnen lezen."

Een van de grootste problemen op het gebied van kwantumcomputing is dat de qubits niet erg stabiel zijn en dat het heel gemakkelijk is om de kwantumtoestanden te vernietigen. Deze topologische materialen bieden een manier om deze toestanden lang genoeg te laten leven om ze af te lezen en er iets mee te doen, aldus Markovic.

"Het is net alsof de doos in Schrodingers kat op de top van een vlaggenmast staat en de minste wind hem eraf kan stoten, "Zei Mlack. "Het idee is dat deze topologische materialen de diameter van de vlaggenmast tenminste vergroten, zodat de doos meer op een kolom dan op een vlaggenmast staat. Je kunt het uiteindelijk afslaan, maar het is verder heel moeilijk om de doos te breken en erachter te komen wat er met de kat is gebeurd."

Hoewel hun eerste ontdekking van dit materiaal een ongeluk was, ze wisten een proces te bedenken om het gecontroleerd na te maken.

Markovic, die destijds de adviseur van Mlack bij Johns Hopkins was, stelde voor dat, om het opnieuw te maken zonder voortdurend apparaten op te blazen, ze zouden het thermisch kunnen uitgloeien, een proces waarbij ze het in een oven doen en het tot een bepaalde temperatuur verhitten.

Met behulp van deze methode, de onderzoekers schreven, "het metaal komt direct de nanostructuur binnen, zorgt voor goed elektrisch contact en kan gemakkelijk in de nanostructuur worden gemodelleerd met behulp van standaardlithografie, waardoor eenvoudige schaalbaarheid van aangepaste supergeleidende circuits in een topologische isolator mogelijk is."

Hoewel onderzoekers al in staat zijn om supergeleidend topologisch materiaal te maken, er is een groot probleem in het feit dat, wanneer ze twee materialen samenvoegen, er zit een barst tussen, waardoor het elektrisch contact afneemt. Dit verpest de metingen die ze kunnen doen, evenals de fysieke verschijnselen die kunnen leiden tot het maken van apparaten die kwantumcomputing mogelijk maken.

Door het rechtstreeks in het kristal te vormen, de supergeleider is ingebed, en er zijn geen van deze contactproblemen. De weerstand is erg laag, en ze kunnen apparaten voor kwantumcomputers in één enkel kristal modelleren.

Om de supergeleidende eigenschappen van het materiaal te testen, ze stopten het in twee extreem koude koelkasten, waarvan er één afkoelt tot bijna het absolute nulpunt. Ze dreven er ook een magnetisch veld overheen, die de supergeleiding en de topologische aard van het materiaal zou doden, om de beperkingen van het materiaal te achterhalen. Ze deden ook standaard elektrische metingen, er een stroom doorheen laten lopen en kijken naar de spanning die ontstaat.

"Ik denk dat wat ook leuk is aan dit artikel de combinatie is van de elektrische transportprestaties en de directe inzichten uit de feitelijke karakterisering van apparaatmaterialen, "Zei Drndic. "We hebben goede inzichten over de samenstelling van deze apparaten om al deze beweringen te ondersteunen, omdat we elementaire analyses hebben uitgevoerd om te begrijpen hoe deze twee materialen samenkomen."

Een van de voordelen van het apparaat van de onderzoekers is dat het potentieel schaalbaar is, in staat om op een chip te passen die vergelijkbaar is met die momenteel in onze computers.

"Op dit moment zijn de belangrijkste vorderingen in kwantumcomputing zeer gecompliceerde lithografiemethoden, "Zei Drndic. "Mensen doen het met nanodraden die op deze circuits zijn aangesloten. Als je enkele nanodraden hebt die erg, heel klein en dan moet je ze op bepaalde plaatsen zetten, het is erg moeilijk. De meeste mensen die in de voorhoede van dit onderzoek staan, hebben faciliteiten van miljoenen dollars en veel mensen staan ​​achter hen. Maar dit, in principe, we kunnen doen in één laboratorium. Het maakt het mogelijk om deze apparaten op een eenvoudige manier te maken. Je kunt je apparaat gewoon gaan schrijven zoals je wilt."

Volgens Mlak, hoewel er nog steeds een behoorlijke hoeveelheid beperking op is; er is een heel veld ontstaan ​​dat zich toelegt op het bedenken van nieuwe en interessante manieren om te proberen deze kwantumtoestanden en kwantuminformatie te benutten. Indien succesvol, quantum computing zal een aantal dingen mogelijk maken.

"Het zal een veel snellere decodering en encryptie van informatie mogelijk maken, " hij zei, "Dat is de reden waarom sommige van de grote defensie-aannemers in de NSA, evenals bedrijven als Microsoft, zijn er in geïnteresseerd. Het stelt ons ook in staat om kwantumsystemen binnen een redelijke tijd te modelleren en is in staat om bepaalde berekeningen en simulaties sneller uit te voeren dan normaal zou kunnen."

Het is vooral goed voor totaal verschillende soorten problemen, zoals problemen die enorme parallelle berekeningen vereisen, aldus Markovic. Als je veel dingen tegelijk moet doen, quantum computing versnelt dingen enorm.

"Er zijn op dit moment problemen waarvoor de leeftijd van het universum nodig is om te berekenen, " ze zei.

"Met kwantumcomputers, je zou het in enkele minuten kunnen doen." Dit kan mogelijk ook leiden tot vooruitgang in de ontwikkeling van geneesmiddelen en andere complexe systemen, en nieuwe technologieën mogelijk te maken.

De onderzoekers hopen te beginnen met het bouwen van wat meer geavanceerde apparaten die zijn gericht op het daadwerkelijk bouwen van een qubit uit de systemen die ze hebben, evenals het uitproberen van verschillende metalen om te zien of ze de eigenschappen van het materiaal kunnen veranderen.

"Het is echt een nieuwe potentiële manier om deze apparaten te fabriceren die nog niemand eerder heeft gedaan, "Zei Mlack. "In het algemeen, wanneer mensen sommige van deze materialen maken door dit topologische materiaal en supergeleiding te combineren, het is een bulkkristal, dus je hebt niet echt controle waar alles is. Hier kunnen we het patroon dat we maken in het materiaal zelf aanpassen. Dat is het meest opwindende deel, vooral als we beginnen te praten over het toevoegen van verschillende soorten metalen die het verschillende kenmerken geven, of dat nu ferromagnetische materialen zijn of elementen die het meer isolerend kunnen maken. We moeten nog zien of het werkt, maar er is een potentieel om deze interessante aangepaste circuits rechtstreeks in het materiaal te maken."