Een potentieel bruikbaar materiaal voor het bouwen van kwantumcomputers is opgegraven bij het National Institute of Standards and Technology (NIST), wiens wetenschappers een supergeleider hebben gevonden die een van de belangrijkste obstakels zou kunnen omzeilen die effectieve kwantumlogische circuits in de weg staan.

Nieuw ontdekte eigenschappen in de verbinding uraniumditelluride, of UT ₂ , laten zien dat het zeer goed bestand zou kunnen zijn tegen een van de aartsvijanden van de ontwikkeling van kwantumcomputers - de moeilijkheid om de geheugenopslagschakelaars van zo'n computer te maken, qubits genoemd, lang genoeg functioneren om een ​​berekening af te ronden voordat ze de delicate fysieke relatie verliezen die hen in staat stelt om als een groep te opereren. Deze relatie, kwantumcoherentie genoemd, is moeilijk te handhaven vanwege verstoringen uit de omringende wereld.

De ongebruikelijke en sterke weerstand van de verbinding tegen magnetische velden maakt het een zeldzame vogel onder supergeleidende (SC) materialen, die duidelijke voordelen bieden voor qubit-ontwerp, vooral hun weerstand tegen de fouten die gemakkelijk in kwantumberekening kunnen sluipen. UT ₂ 's uitzonderlijke gedrag zou het aantrekkelijk kunnen maken voor de opkomende kwantumcomputerindustrie, volgens Nick Butch van het onderzoeksteam.

"Dit is mogelijk het silicium van het kwantuminformatietijdperk, " zei Butch, een natuurkundige bij het NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Je zou uraniumditelluride kunnen gebruiken om de qubits van een efficiënte kwantumcomputer te bouwen."

Onderzoeksresultaten van het team, waartoe ook wetenschappers van de Universiteit van Maryland en Ames Laboratory behoren, verschijnen vandaag in het journaal Wetenschap . Hun papieren details UTe ₂ ongewone eigenschappen, die interessant zijn vanuit het perspectief van zowel technologische toepassing als fundamentele wetenschap.

Een daarvan is de ongebruikelijke manier waarop de elektronen die elektriciteit geleiden door UTe ₂ Maak paren. In koperdraad of een andere gewone geleider, elektronen reizen als individuele deeltjes, maar in alle SC's vormen ze zogenaamde Cooper-paren. De elektromagnetische interacties die deze koppelingen veroorzaken, zijn verantwoordelijk voor de supergeleiding van het materiaal. De verklaring voor dit soort supergeleiding is de BCS-theorie genoemd naar de drie wetenschappers die de paren ontdekten (en daarvoor de Nobelprijs deelden).

Wat specifiek belangrijk is voor deze Cooper-koppeling, is een eigenschap die alle elektronen hebben. Bekend als kwantum "spin, " het zorgt ervoor dat elektronen zich gedragen alsof ze elk een kleine staafmagneet hebben die er doorheen loopt. In de meeste SC's, de gepaarde elektronen hebben hun kwantumspins op één manier georiënteerd - één elektron wijst naar boven, terwijl zijn partner naar beneden wijst. Deze tegengestelde koppeling wordt een spin-singlet genoemd.

Een klein aantal bekende supergeleiders, Hoewel, zijn non-conformisten, en UT ₂ schijnt er tussen te zitten. Hun Cooper-paren kunnen hun spins georiënteerd hebben in een van de drie combinaties, waardoor ze drielingen draaien. Door deze combinaties kunnen de spins van het Cooper-paar parallel worden georiënteerd in plaats van in oppositie. Van de meeste spin-triplet SC's wordt voorspeld dat ze ook "topologische" SC's zijn, met een zeer nuttige eigenschap waarbij de supergeleiding zou optreden op het oppervlak van het materiaal en supergeleidend zou blijven, zelfs bij externe verstoringen.

"Deze parallelle spinparen kunnen de computer helpen functioneel te blijven, "Zei Butch. "Het kan niet spontaan crashen vanwege kwantumfluctuaties."

Alle kwantumcomputers tot nu toe hadden een manier nodig om de fouten te corrigeren die vanuit hun omgeving binnensluipen. Van SC's is al lang bekend dat ze algemene voordelen hebben als basis voor kwantumcomputercomponenten, en verschillende recente commerciële vorderingen in de ontwikkeling van kwantumcomputers hebben betrekking op circuits gemaakt van supergeleiders. De eigenschappen van een topologische SC - die een kwantumcomputer zou kunnen gebruiken - zouden het extra voordeel hebben dat er geen kwantumfoutcorrectie nodig is.

"We willen een topologische SC omdat het je foutloze qubits zou geven. Ze kunnen een zeer lange levensduur hebben, "Zei Butch. "Topologische SC's zijn een alternatieve route naar kwantumcomputing omdat ze de qubit zouden beschermen tegen de omgeving."

Het team stuitte op UTe ₂ tijdens het verkennen van op uranium gebaseerde magneten, waarvan de elektronische eigenschappen naar wens kunnen worden afgestemd door hun chemie te veranderen, druk of magnetisch veld - een handige functie als u aanpasbare materialen wilt. (Geen van deze parameters is gebaseerd op radioactiviteit. Het materiaal bevat "verarmd uranium, " die slechts licht radioactief is. Qubits gemaakt van UTe ₂ zou klein zijn, en ze kunnen gemakkelijk worden afgeschermd van hun omgeving door de rest van de computer.)

Het team had niet verwacht dat de compound de eigenschappen zou hebben die ze ontdekten.

"UTe ₂ was voor het eerst gemaakt in de jaren zeventig, en zelfs vrij recente onderzoeksartikelen beschreven het als onopvallend, " zei Butch. "We hebben toevallig wat UTe . gemaakt ₂ terwijl we verwante materialen synthetiseerden, dus hebben we het bij lagere temperaturen getest om te zien of er misschien een fenomeen over het hoofd is gezien. We realiseerden ons al snel dat we iets heel bijzonders in handen hadden."

Het NIST-team begon UTe . te verkennen ₂ met gespecialiseerde tools bij zowel de NCNR als de University of Maryland. Ze zagen dat het supergeleidend werd bij lage temperaturen (onder -271,5 graden Celsius, of 1,6 kelvin). De supergeleidende eigenschappen leken op die van zeldzame supergeleiders die tegelijkertijd ferromagnetisch zijn en werken als permanente magneten bij lage temperatuur. Nog, nieuwsgierig, UT ₂ is zelf niet ferromagnetisch.

"Dat maakt UTe ₂ alleen al om die reden fundamenteel nieuw, ' zei Butch.

Het is ook zeer goed bestand tegen magnetische velden. Typisch zal een veld supergeleiding vernietigen, maar afhankelijk van de richting waarin het veld wordt toegepast, UT ₂ is bestand tegen velden tot 35 tesla. Dit is 3, 500 keer zo sterk als een typische koelkastmagneet, en vele malen meer dan de meeste topologische SC's bij lage temperaturen kunnen verdragen.

Hoewel het team nog niet onomstotelijk heeft bewezen dat UTe ₂ is een topologische SC, Butch zegt dat deze ongebruikelijke weerstand tegen sterke magnetische velden betekent dat het een spin-triplet SC moet zijn, en daarom is het waarschijnlijk ook een topologische SC. Deze weerstand kan wetenschappers ook helpen de aard van UTe te begrijpen ₂ en misschien supergeleiding zelf.

"Als we het verder onderzoeken, kunnen we inzicht krijgen in wat deze parallel-spin SC's stabiliseert, " zei hij. "Een belangrijk doel van SC-onderzoek is om supergeleiding goed genoeg te begrijpen, zodat we weten waar we naar onontdekte SC-materialen moeten zoeken. Op dit moment kunnen we dat niet doen. Wat met hen is essentieel? We hopen dat dit materiaal ons meer zal vertellen."

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .