Квантовый бронежилет: как дробный эффект Холла защитит кубиты
Обычные кубиты хрупки, как фарфор: любое внешнее воздействие разрушает их квантовые состояния.
Но есть и другой тип — топологические кубиты, которые от природы защищены от помех. Ученые десятилетиями искали материал, где такие устойчивые квантовые частицы могли бы существовать.
Прорыв случился в 2013 году, когда физики из Университета Цинхуа впервые зафиксировали квантовый аномальный эффект Холла (QAHE). Сейчас исследователи идут дальше и изучают его «дробную» версию — FQAHE. В таких системах при определенных условиях могут возникать экзотические частицы — Z3-парафермионы. Они подчиняются статистике Фибоначчи и идеально подходят для топологического квантового компьютера, который не боится ошибок.
Команда Хай-Чжоу Лу из Южного университета науки и технологий в своем обзоре в Science Bulletin выделила два перспективных материала:
- Слоистый MoTe₂ со скрученными слоями — в нем наблюдается FQAHE при заполнении -2/3 и -3/5.
- Графеновые сверхрешетки с гексагональной структурой — здесь дробных состояний еще больше, включая редкие четные доли.
Есть два пути к Z3-парафермионам:
- Исследовать состояния с высоким заполнением (например, ν=13/5), похожие на состояние Рида-Резаи, где уже предсказаны эти частицы.
- Соединить FQAHE со сверхпроводимостью — тогда на краях материала могут появиться нужные моды.
MoTe₂ уже показал дробный квантовый спиновый эффект Холла, а если добавить палладий, он становится сверхпроводником.
Графеновые структуры тоже демонстрируют многообещающие свойства, включая возможную сверхпроводимость.
Но проблемы остаются: сложно стабилизировать состояния с высоким заполнением, добиться чистоты материалов и создать устойчивые топологические сверхпроводники. Если их решить, FQAHE-системы станут основой для надежных квантовых вычислений.
Такие работы приближают нас к квантовым компьютерам, которые не будут требовать сверхнизких температур и сложной коррекции ошибок. Топологические кубиты устойчивы к декогеренции, а значит, их проще масштабировать. Кроме того, изучение FQAHE открывает новые горизонты в физике конденсированных состояний — например, помогает понять неабелевы любые и их статистику.
Пока все успехи — лишь лабораторные демонстрации. До реальных устройств далеко: даже в идеальных условиях дробные состояния существуют при крайне низких температурах, а управлять ими сложно. Кроме того, не факт, что парафермионы в этих материалах окажутся достаточно стабильными для вычислений.
Ранее ученые использовали метаматериалы для наблюдения эффекта Холла.
