연구원들은 자기 트위스트를 통해 양자 컴퓨팅 도약을 이룹니다.

양자 컴퓨팅은 세상을 혁신할 수 있습니다. 구체적이고 중요한 작업의 경우 실험실의 슈퍼컴퓨터에서 주머니 속의 스마트폰에 이르기까지 오늘날 기계의 기반이 되는 0 또는 1 바이너리 기술보다 기하급수적으로 빠릅니다. 그러나 양자 컴퓨터 개발은 정보를 저장하고 액세스하고 계산을 수행하기 위해 안정적인 큐비트 또는 양자 비트 네트워크를 구축하는 데 달려 있습니다.

그러나 현재까지 공개된 큐비트 플랫폼에는 공통적인 문제가 있습니다. 외부 교란에 민감하고 취약한 경향이 있습니다. 길 잃은 광자조차도 문제를 일으킬 수 있습니다. 외부 교란에 영향을 받지 않는 내결함성 큐비트를 개발하는 것이 이 문제에 대한 궁극적인 해결책이 될 수 있습니다.

워싱턴 대학(University of Washington)의 과학자와 엔지니어가 이끄는 팀은 이 탐구에서 상당한 발전을 발표했습니다. 6월 14일에 발표된 한 쌍의 논문에서 자연 그리고 6월 22일 과학, 그들은 각각 단 하나의 원자 층 두께인 반도체 재료 조각을 사용한 실험에서 “분수 양자 이상 홀”(FQAH) 상태의 서명을 감지했다고 보고했습니다. 이 팀의 발견은 FQAH 상태가 전자 전하의 일부만 갖는 이상한 “준입자”를 호스트할 수 있기 때문에 일종의 내결함성 큐비트를 구성하는 첫 번째이자 유망한 단계를 표시합니다. 일부 유형의 애니온은 “위상학적으로 보호되는” 큐비트를 만드는 데 사용할 수 있으며, 이는 작고 국부적인 교란에 대해 안정적입니다.

“이것은 미래에 분획 여기를 사용하여 양자 물리학을 연구하는 새로운 패러다임을 수립합니다.” 이러한 발견의 수석 연구원이자 Boeing 석좌 교수이자 UW의 재료 과학 및 공학 교수인 Xiaodong Xu는 말했습니다. .

FQAH 상태는 2차원 시스템에 존재하는 특이한 물질 단계인 분수 양자 홀 상태와 관련이 있습니다. 이러한 상태에서 전기 전도도는 전도도 양자로 알려진 상수의 정확한 비율로 제한됩니다. 그러나 분수 양자 홀 시스템은 일반적으로 안정을 유지하기 위해 막대한 자기장이 필요하므로 양자 컴퓨팅 응용 프로그램에는 비실용적입니다. FQAH 상태에는 그러한 요구 사항이 없습니다. 팀에 따르면 “제로 자기장”에서도 안정적입니다.

이러한 특이한 물질 상을 호스트하려면 연구자들은 이국적인 특성을 가진 인공 격자를 구축해야 했습니다. 그들은 반도체 물질 몰리브덴 디텔루라이드(MoTe₂) 서로에 대해 작은 상호 “비틀림” 각도로. 이 구성은 전자를 위한 합성 “벌집 격자”를 형성했습니다. 연구원들이 적층된 슬라이스를 절대 영도보다 몇도 이상 냉각시켰을 때 시스템에 고유한 자기가 발생했습니다. 진성 자성은 분수 양자 홀 상태에 일반적으로 필요한 강한 자기장을 대신합니다. 연구원들은 레이저를 프로브로 사용하여 FQAH 효과의 서명을 감지했으며, 이는 양자 컴퓨팅을 위한 모든 사람의 능력을 잠금 해제하는 데 있어 중요한 단계입니다.

홍콩 대학, 일본 국립 재료 과학 연구소, 보스턴 대학 및 매사추세츠 공과 대학의 과학자들도 포함하는 이 팀은 그들의 시스템을 모든 사람에 대한 더 깊은 이해를 개발하기 위한 강력한 플랫폼으로 구상합니다. 전자와 같은 일상적인 입자와는 매우 다른 특성을 가지고 있습니다. 애니온은 전자의 일부로 작용할 수 있는 준입자 또는 입자와 같은 “여기”입니다. 실험 시스템에 대한 향후 연구에서 연구원들은 이러한 유형의 준입자의 훨씬 더 이국적인 버전인 위상 큐비트로 사용될 수 있는 “비-아벨” 애니온을 발견하기를 희망합니다. 래핑(또는 “땋기”) – 서로 주변의 아벨이 아닌 모든 사람은 얽힌 양자 상태를 생성할 수 있습니다. 이 양자 상태에서 정보는 본질적으로 전체 시스템에 “확산”되고 국부적 교란에 저항합니다. 즉, 토폴로지 큐비트의 기초를 형성하고 현재 양자 컴퓨터의 기능에 대한 주요 발전을 형성합니다.

사이언스 논문의 주저자이자 네이처 논문의 공동 저자인 에릭 앤더슨(Eric Anderson)은 “이러한 유형의 토폴로지 큐빗은 현재 생성될 수 있는 것과 근본적으로 다를 것”이라고 말했다. “Abelian이 아닌 사람의 이상한 행동은 그들을 양자 컴퓨팅 플랫폼으로서 훨씬 더 강력하게 만들 것입니다.”

연구원의 실험 설정에 모두 동시에 존재하는 세 가지 주요 특성으로 인해 FQAH 상태가 나타날 수 있습니다.

• 자성: 비록 MoTe₂ 자성 물질이 아니기 때문에 시스템에 양전하를 가했을 때 “자발적 회전 순서”(강자성이라고 하는 자성의 한 형태)가 나타났습니다.
• 토폴로지: 시스템 내의 전하에는 뫼비우스 띠와 유사한 “꼬인 띠”가 있어 시스템을 토폴로지로 만드는 데 도움이 됩니다.
• 상호 작용: 실험 시스템 내의 전하는 FQAH 상태를 안정화하기에 충분히 강하게 상호 작용합니다.

팀은 그들의 접근 방식을 사용하여 Abelian이 아닌 사람이 발견되기를 기다리고 있습니다.

Nature 논문의 공동 저자이자 Science 논문의 공동 저자인 UW 물리학 박사 과정 학생 Jiaqi Cai는 “분수 양자 이상 홀 효과의 관찰된 서명은 고무적입니다.”라고 말했습니다. “시스템의 유익한 양자 상태는 2차원에서 새로운 물리학을 발견하기 위한 랩온어칩(laboratory-on-a-chip)과 양자 응용을 위한 새로운 장치가 될 수 있습니다.”

UW의 분자 공학 및 과학 연구소, 나노 공학 시스템 연구소 및 청정 에너지 연구소의 회원이기도 한 Xu는 “우리의 작업은 오랫동안 추구해 온 FQAH 상태에 대한 명확한 증거를 제공합니다.”라고 말했습니다. “우리는 현재 제로 자기장에서 분수 여기의 직접적이고 명확한 증거를 제공할 수 있는 전기 전송 측정에 대해 연구하고 있습니다.”

팀은 그들의 접근 방식을 통해 이러한 비정상적인 FQAH 상태를 조사하고 조작하는 것이 보편화되어 양자 컴퓨팅 여정을 가속화할 수 있다고 믿습니다.

논문의 추가 공동 저자는 UW 물리학과의 William Holtzmann과 Yinong Zhang입니다. UW 재료 과학 및 공학과의 Di Xiao, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu 및 Ting Cao; Feng-Ren Fan과 Wang Yao(홍콩 대학 및 홍콩 이론 및 계산 물리학 공동 연구소); 일본 국립 재료 과학 연구소의 Takashi Taniguchi 및 Kenji Watanabe; Boston College의 Ying Ran; 그리고 MIT의 Liang Fu. 이 연구는 미국 에너지부, 공군 과학 연구실, 국립 과학 재단, 홍콩 연구 보조금 위원회, 크라우처 재단, 텐센트 재단, 일본 과학 진흥 협회 및 워싱턴 대학교.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/06/230627191540.htm