تیمی به رهبری دانشگاه واشنگتن با شناسایی حالت‌های هال غیرعادی کوانتومی کسری (Fractional Quantum Anomalous Hall States: FQAH) در تکه‌های مواد نیمه‌رسانا، که می‌تواند در ایجاد کیوبیت‌های پایدار و مقاوم به خطا مؤثر باشد، به یک پیشرفت کلیدی در محاسبات کوانتومی دست یافته است.
پلتفرم‌های کیوبیتی که تا به امروز رونمایی شده‌اند یک مشکل مشترک دارند: آنها نسبت به اختلالات بیرونی حساس و آسیب‌پذیر هستند. حتی یک فوتون در فضا می تواند چالش های زیادی را ایجاد کند. توسعه کیوبیت‌های مقاوم به خطا که در برابر اختلالات خارجی مصون هستند می‌تواند راه‌حل نهایی برای این چالش باشد.
در یک جفت مقاله که در Nature و در Science منتشر شد، محققین گزارش کردند که در آزمایش‌هایی با تکه‌های مواد نیمه‌رسانا - که هر یک تنها یک لایه اتم ضخامت دارند - نشانه‌هایی از حالت های (FQAH) را شناسایی کردند. اکتشافات این تیم از امیدوارکننده ترین گام ها در ساخت نوعی کیوبیت مقاوم در برابر خطا است، زیرا حالت‌های FQAH می‌توانند میزبان «شبه ذرات» عجیبی که تنها کسری از بار الکترون را دارند باشد. برخی از انواع آنیون‌ها را می‌توان برای ساخت کیوبیت‌های «محافظت‌شده توپولوژیکی» استفاده کرد که در برابر هر گونه اختلال محلی و کوچک پایدار هستند.
حالت های FQAH مربوط به حالت هال کوانتومی کسری هستند، که فاز عجیب از ماده است که در سیستم های دو بعدی وجود دارد. در این حالت ها، رسانایی الکتریکی به کسری دقیق از یک ثابت که رسانایی کوانتوم نامیده می شود، محدود می شود. اما سیستم‌های هال کوانتومی کسری معمولاً به میدان‌های مغناطیسی عظیم نیاز دارند تا آنها را پایدار نگه دارند که آنها را برای کاربرد در محاسبات کوانتومی غیرعملی می‌سازد. به گفته این تیم، حالت های FQAH آنها چنین الزامی ندارد و حتی در میدان مغناطیسی صفر نیز پایدار است.
آنها دو ورقه نازک اتمی از ماده نیمه هادی مولیبدن دیتلورید (MoTe2) را در زوایای "پیچش" کوچک و متقابل نسبت به یکدیگر روی هم چیدند. این پیکربندی یک "شبکه لانه زنبوری" مصنوعی برای الکترون ها تشکیل داد. هنگامی که محققان برش های روی هم را تا چند درجه بالای صفر مطلق خنک کردند، یک مغناطیس ذاتی در سیستم ایجاد شد. مغناطیس ذاتی جای میدان مغناطیسی قوی را می گیرد که معمولاً برای حالت هال کوانتومی کسری لازم است. محققان با استفاده از لیزر به عنوان پراب، نشانه هایی از اثر FQAH را شناسایی کردند که یک گام بزرگ به جلو در باز کردن قدرت آنیون ها برای محاسبات کوانتومی است.
این تیم سیستم خود را به عنوان یک پلتفرم قدرتمند برای ایجاد درک عمیق‌تر از آنیون ها که دارای خواص بسیار متفاوتی با ذرات روزمره مانند الکترون‌ها است، در نظر می‌گیرد. Anyon ها شبه ذرات یا "تحریک های" ذره مانند هستند که می توانند به عنوان کسری از یک الکترون عمل کنند. محققان امیدوارند در کار آینده با سیستم آزمایشی خود، نسخه بهتری از این نوع شبه ذره را کشف کنند: یعنی آنیون‌های «غیر آبلی»، که می‌توانند به عنوان کیوبیت‌های توپولوژیکی استفاده شوند. پیچاندن - یا "بافته کردن" (Braiding) – آنیون های غیر آبلی به دور یکدیگر در این حالت کوانتومی، اطلاعات اساساً در کل سیستم "گسترش یافته" و در برابر اختلالات محلی مقاوم هستند.
سه ویژگی کلیدی، که همه آنها به طور همزمان در چیدمان آزمایشی وجود داشتند، باعث ایجاد حالت های FQAH شدند:
مغناطیس: اگرچه MoTe2 یک ماده مغناطیسی نیست، اما هنگامی که آنها سیستم را با بارهای مثبت بارگذاری کردند، یک "ترتیب اسپین خود به خودی (spontaneous spin order)" - شکلی از مغناطیس به نام فرومغناطیس - پدیدار شد.
توپولوژی: بارهای الکتریکی در سیستم آنها دارای "باندهای پیچ خورده (Twisted Bands)" هستند، شبیه به نوار موبیوس، که به توپولوژیک شدن سیستم کمک می کند.
برهمکنش ها: بارهای درون سیستم آزمایشی آنها به اندازه کافی برای تثبیت حالت FQAH برهمکنش دارند.
لینک مقاله:
