Квантовая критичность может быть благом для кубита дизайнеров

Физики, изучая странное поведение металлических сплавов называют тяжелыми фермионами было сделано удивительное открытие, что может быть полезно для защиты информации, хранящейся в квантовых битов, или кубитов, основных единиц закодированной информации в квантовых компьютерах.

В ходе исследования в Трудах Национальной академии наук, исследователи из Университета Райс и Венском технологическом университете (техническом университете Вены) в Австрии исследовали поведение интерметаллических Кристалл церия, палладия и кремния, так как он был подвергнут сильные морозы и сильное магнитное поле. К их удивлению, они обнаружили, что они могли бы изменить квантовое поведение материала в двух уникальных способов, в котором электроны занимают орбитали конкурировать и другой, где они конкурируют, чтобы занять спиновых состояниях.

«Эффект настолько выражен с одной степенью свободы, что он заканчивает освобождать других», — сказал Чимяо Райс си, со-автор исследования и директор Райс Центра квантовых материалов (RCQM). «Вы можете фактически настроить систему, чтобы нанести максимальный ущерб одной из них, оставляя другие вполне определенные».

Си сказал, что результат может быть важен для компании, как Google, IBM, и Intel и другие, которые конкурируют в разработке квантовых компьютеров. В отличие от цифровых компьютеров, которые используют электричество или свет для кодирования битов информации, квантовые компьютеры используют квантовые состояния частиц, как электронов для хранения информации в кубитах. Практический квантовый компьютер может обогнать своего цифрового аналога по-разному, но технология все еще находится в зачаточном состоянии, и одним из главных препятствий является хрупкость квантовые состояния внутри кубитов.

«Вы нуждаетесь в определенном квантовом состоянии, если вы хотите быть уверены, что информация, которая хранится в кубит не изменится из-за фоновых помех,» Си-Саид.

Каждый электрон ведет себя как вращающийся Магнит, и его спин описан в одном из двух значений, вверх или вниз. Во многих кубит конструкции, информация кодируется в этих вращений, но этих состояний может быть настолько хрупким, что даже небольшое количество света, тепла, вибрации или звука может привести к их переходить из одного состояния в другое. Минимизировать информацию о том, что потерял такой «декогеренция» является одной из основных проблем в кубит дизайн, Си-Саид.

В новом исследовании, си работал с давним партнером Силке Пашена в техническом университете Вены для изучения материала, где квантовые состояния электронов тревоге были подняты не только с точки зрения их спины, но также с точки зрения их орбиталей.

«Мы разработали систему, реализованы в ряде теоретических моделей и одновременно понял, в материал, где спины и орбитали почти на равных и тесно связаны вместе», — сказал он.

Из предыдущих исследований в 2012 году, Си, Пашена и коллеги знали, что электроны в соединении могут быть сделаны, чтобы взаимодействовать так сильно, что материал будет подвергаться резкому изменению на критически низких температур. По обе стороны от этой «квантовой критической точки,» электроны в ключ орбиталей бы организовать себя совершенно по-другому, с переходом, происходящих исключительно из-за квантовых взаимодействий между ними.

В предыдущем исследовании вызывается известная теория С. И. и соавторы разработали в 2001 году, который предписывает, как спинов локализованных электронов, которые входят в состав атомов внутри сплава, сильно пару с сыпучими электронов проводимости в квантовой критической точке. Согласно этой «локальной квантовой критической» теории, так как материал охлаждается и приближается к критической точке, спинов локализованных электронов и электронов проводимости начинают конкурировать, чтобы занять особое спиновых состояниях. Квантовая критическая точка является критической точки, где эта конкуренция разрушает упорядоченное расположение локализованных электронов и они вместо того, чтобы стать полностью запутался с электронами проводимости.

Хотя Си изучал квантовую критичность в течение почти 20 лет, он был удивлен результатами последних экспериментов по Пашена.

«Новые данные был полностью непонятным для всех нас», — сказал он. «То есть, пока мы поняли, что система содержит не только спины, но и орбитали в качестве активных степеней свободы».

С этой реализации, команда Си, в том числе риса аспирант Анг Кай, построили теоретическую модель, которая содержит как спины и орбиталей. Их детальный анализ модели показал удивительную форму квантовой критичности, что при условии четкого понимания экспериментов.

«Это был шок для меня, как с теоретической зрения модели и эксперименты», — сказал он. «Даже если это суп из вещей-спины, орбитали, которые все тесно связаны друг с другом и с фоном электронов проводимости — мы могли бы решить две квантовые критические точки в этой системе под настройки одного параметра, которым является магнитное поле. И в каждом из квантовых критических точек, только спина и орбитального управлял квантовой критичности. Другой более или менее случайный прохожий».

Si-это Гарри С. И О. К. профессор Wiess в отделе Райс физики и астрономии.

Совместно вести исследования авторы cai и Валентина Мартелли, который ранее работал в техническом университете Вены и сейчас с университетом Сан-Паулу в Бразилии. Дополнительные соавторы включают чиа-Чуан Лю и Синь-Хуа лай, как риса; Эмилиан Ника, ранее риса и в настоящее время в Университете Британской Колумбии; Жун Юй, ранее риса и в настоящее время в Жэньминь университета Китая; Матье Топин Андрей Прокофьев, Диана Гейгера, Джонатан Хенель и Хулио Ларреа, все ту Вена; Кевин Ingersent из Университета Флориды Роберт Кюхлера из Макс Планк Института химической физики твердого тела в Дрездене, Германия; и Андре Стридом из Университета Йоханнесбурга в Южной Африке.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом (ДМБ-1920740, ЦНС-1338099, фи-1607611, ДМР-1508122), Роберта А. Уэлча фонда (с-1411), на армейском исследовательском отделении (АРО-W911NF-14-1-0525, АРО-W911NF-14-1-0496), австрийским научным фондом (P29296-от 27, ДК W1243), Европейского исследовательского совета (гранты 227378), в Карлос Шагас Филью Фонд поддержки исследований штата Рио-де-Жанейро (201.755/2015), Национального фонда естественных наук Китая (11674392), Министерство науки и технологии Китая (2016YFA0300504), Южно-Африканский национальный исследовательский фонд (93549), университет Иоганнесбурга и RCQM.

RCQM использует глобальные партнерства и сильных из более чем 20 исследовательских Райс групп для решения вопросов, связанных с квантовой материалов. RCQM поддерживается Райс офисы проректором и проректором по научной работе Wiess школа естественных наук, коричневой школа инженерии, Смолли-завиток института и кафедры физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники и материаловедения и наноинженерии.