Natuurkundigen van Rice University die zich toeleggen op het creëren van de werkende componenten van een fouttolerante kwantumcomputer zijn erin geslaagd een voorheen ongeziene toestand van materie te creëren.

De "topologische excitonische isolator" werd waargenomen in tests in Rice door een internationaal team uit de Verenigde Staten en China. De onderzoekers rapporteren deze week hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Hun apparaat kan mogelijk worden gebruikt in een topologische kwantumcomputer, een soort kwantumcomputer die informatie opslaat in kwantumdeeltjes die aan elkaar zijn 'gevlochten' als knopen die niet gemakkelijk te doorbreken zijn. Deze stabiele, gevlochten "topologische" kwantumbits, of topologische qubits, zou een van de belangrijkste beperkingen van kwantumcomputing vandaag de dag kunnen overwinnen:Qubits die niet-topologisch zijn, "decoheren" gemakkelijk en verliezen de informatie die ze opslaan.

Conventionele computers gebruiken binaire gegevens, informatie die is opgeslagen als enen of nullen. Dankzij de eigenaardigheden van de kwantummechanica, qubits kunnen beide vertegenwoordigen, nullen en een derde toestand die tegelijkertijd een één en een nul is.

Deze derde toestand kan worden gebruikt om de berekening te versnellen, zozeer zelfs dat een kwantumcomputer met slechts enkele tientallen qubits sommige berekeningen net zo snel zou kunnen voltooien als een microchip met een miljard binaire transistoren.

In de nieuwe studie Rijstfysicus Rui-Rui Du en voormalig Rice-afgestudeerde Lingjie Du (geen familie) werkten samen met onderzoekers van Rice, Universiteit van Peking en de Chinese Academie van Wetenschappen om excitonische isolatoren te maken gemaakt van kleine reepjes ultrapuur, gestapelde halfgeleiders. de apparaten, die niet meer dan 100 micron breed zijn, bevatten een vel indiumarsenide bovenop een vel galliumantimoon. Wanneer afgekoeld in een bad van vloeibaar helium tot een kritiek lage temperatuur van ongeveer 10 kelvin, er vormt zich een supervloeibare kwantumvloeistof in de apparaten en er gaat geen elektriciteit meer doorheen.

"Dit lijkt erg op het proces in een supergeleider, waar je elektronen hebt die tot elkaar worden aangetrokken om paren te vormen die zonder weerstand stromen, " zei Rui-Rui Du, een professor in de natuurkunde en astronomie bij Rice en een onderzoeker bij het Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "In ons geval, elektronen paren met positief geladen 'elektronengaten' om een ​​superfluïde te creëren met een netto lading van nul."

Lingjie Du, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Columbia University, zei, "Het is een collectief effect, dus voor een externe waarnemer geleidt het systeem elektriciteit normaal totdat het is afgekoeld tot de kritische temperatuur, waar het plotseling van fase verandert om een ​​perfecte isolator te worden."

Om te bewijzen dat het apparaat de lang gezochte excitonische isolator was, het team moest eerst aantonen dat de vloeistof een kwantumcondensaat was. Die taak viel op Xinwei Li, een afgestudeerde student in het laboratorium van RCQM-onderzoeker Junichiro Kono. Li en Kono, een professor in elektrische en computertechniek aan Rice, scheen terahertz-golven door de apparaten terwijl ze werden afgekoeld tot de kritische temperatuur en ontdekten dat de monsters terahertz-energie absorbeerden in twee verschillende banden - een kenmerk van kwantumcondensatie.

Het tonen van het apparaat was topologisch betrokken testen op elektrische geleiding in een eendimensionale band rond hun omtrek.

"Deze nieuwe eigenschap van de edge-staat is iets waar mensen erg in geïnteresseerd zijn, " zei Rui-Rui Du. "Deze randstaat heeft geen elektrische weerstand, en je krijgt geleiding waarbij elektronen gebonden zijn aan hun spinmoment. Als ze één soort spin hebben, ze gaan met de klok mee en als ze de andere hebben, gaan ze tegen de klok in."

Vlechtcircuits die op deze tegengestelde elektronenstromen zijn gebouwd, zouden inherente topologische handtekeningen hebben die zouden kunnen worden gebruikt om fouttolerante qubits te vormen.

"Het andere mooie hiervan is dat dezelfde principes nog steeds gelden bij kamertemperatuur, " zei Rui-Rui Du. "Er zijn atomair gelaagde materialen zoals wolfraamdisulfide die mogelijk kunnen worden gebruikt om hetzelfde effect bij kamertemperatuur te creëren, op voorwaarde dat ze in voldoende zuivere vorm konden worden gemaakt."