Физики из Кёльнского университета впервые экспериментально наблюдали квантовые состояния, которые ведут себя в точности так, как предсказывает теория для одного из самых перспективных материалов в области квантовых вычислений. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Речь идёт о топологических изоляторах - материалах, которые внутри не проводят электрический ток, а на поверхности проводят. Если такой материал соединить с обычным сверхпроводником, на его поверхности, согласно теории, должна возникать особая форма сверхпроводимости - топологическая. Именно она считается одним из путей к созданию так называемых майорановских состояний (квантовых состояний, которые теоретически могут стать основой для устойчивых к ошибкам кубитов - квантовых битов).

Чтобы проверить предсказания, группа под руководством профессора Ёити Андо из лаборатории топологической материи в Кёльне изучила структуру под названием "джозефсоновский переход". Это два сверхпроводника, соединённые областью, которая сверхпроводимостью не обладает. Методом туннельной спектроскопии (способ, позволяющий "заглянуть" в энергетические состояния электронов) исследователи меняли разность фаз между сверхпроводниками и следили за квантовыми состояниями внутри перехода.

Учёные увидели так называемые андреевские состояния с высокой прозрачностью - они возникают при взаимодействии электронов и дырок (квазичастиц, ведущих себя как положительные заряды) на границе сверхпроводника. Эти состояния проявлялись в широком диапазоне концентраций носителей заряда, что совпадает с предсказанным поведением электронов на поверхности топологического изолятора. А при наложении магнитного поля состояния сконцентрировались в определённых областях перехода - опять же, как и предсказывает теория.

"Понимание того, как сверхпроводимость взаимодействует с уникальными электронными свойствами топологических изоляторов, необходимо для оценки их потенциала в топологических квантовых вычислениях", - приводит слова Андо пресс-релиз университета.

Полученные данные согласуются с теоретической моделью, предложенной Ляном Фу и Чарльзом Кейном в 2008 году, а также с численными расчётами группы профессора Фабиана Хасслера из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена. "Очень волнительно видеть, что наши эксперименты так хорошо совпадают с теорией. Это вселяет надежду на будущие применения в квантовых вычислениях", - добавила соавтор работы Элла Никодем.

Однако ключевой вопрос остаётся открытым: претерпевают ли наблюдаемые состояния предсказанное закрытие и повторное открытие энергетической щели? Такой скачок мог бы сигнализировать о переходе в топологическую сверхпроводимость, где квантовые состояния защищены от локальных помех. Именно эта защита делает топологические квантовые вычисления столь привлекательными. В нынешнем эксперименте переход ещё не подтверждён - для этого нужны более точные измерения. "Чтобы продемонстрировать топологический фазовый переход в этой системе, нам нужно улучшить энергетическое и временное разрешение эксперимента. Это следующий шаг в планах лаборатории Андо", - пояснил первый автор работы Якоб Шлюк.

Таким образом, работа подтверждает теоретическую основу, но не доказывает, что топологическая защита уже достигнута. Тем не менее физики называют результаты важным шагом к созданию более устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров.

Источник: Phys.org