Magnetisme in exotisch materiaal voor robuuste kwantumcomputers

Een exotisch kwantummateriaal en stabiliteit door magnetisme. Dit moet kwantumcomputers robuust genoeg maken voor de praktijk.

Qubits zijn extreem kwetsbaar. De kleinste verandering in temperatuur, magnetisch veld of zelfs microscopische trillingen zorgt ervoor dat de qubits hun kwantumtoestanden verliezen – en daarmee ook hun vermogen om complexe berekeningen betrouwbaar uit te voeren.

Om dit probleem op te lossen, zijn onderzoekers de afgelopen jaren begonnen met het verkennen van de mogelijkheid om materialen te creëren die betere bescherming bieden tegen dit soort verstoringen en ruis in hun topologie. Kwantumtoestanden die ontstaan ​​en in stand worden gehouden door de structuur van het materiaal dat in qubits wordt gebruikt, worden topologische excitaties genoemd en zijn aanzienlijk stabieler en veerkrachtiger dan andere. De uitdaging blijft echter om materialen te vinden die dergelijke robuuste kwantumtoestanden van nature ondersteunen.

Het nieuwe kwantummateriaal, ontwikkeld door een onderzoeksteam van Chalmers University of Technology, Aalto University en de Universiteit van Helsinki, vertoont robuuste topologische excitaties.

“Dit is een volledig nieuw type exotisch kwantummateriaal dat zijn kwantumeigenschappen kan behouden bij blootstelling aan externe verstoringen. Het kan bijdragen aan de ontwikkeling van kwantumcomputers die robuust genoeg zijn om kwantumberekeningen in de praktijk uit te voeren”, aldus Guangze Chen, hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Physical Review Letters.

Magnetisme is de sleutel in de nieuwe strategie

Traditioneel hebben onderzoekers spin-baankoppeling gebruikt, een kwantuminteractie die de spin van het elektron koppelt aan zijn baan rond de atoomkern om topologische excitaties te creëren. Dit is echter relatief zeldzaam en de methode kan daarom slechts op een beperkt aantal materialen worden toegepast.

Het team gebruikte nu magnetisme – een veel gebruikelijker en toegankelijker ingrediënt – om hetzelfde effect te bereiken. Door magnetische interacties te benutten, konden de onderzoekers de robuuste topologische excitaties ontwikkelen die nodig zijn voor topologisch quantumcomputing.

“Het voordeel van onze methode is dat magnetisme van nature in veel materialen voorkomt”, zegt Guangze Chen. “Dit betekent dat we nu kunnen zoeken naar topologische eigenschappen in een veel breder spectrum aan materialen, inclusief materialen die voorheen over het hoofd werden gezien.”

Nieuwe rekentool

Om de ontdekking van nieuwe materialen met nuttige topologische eigenschappen te versnellen, heeft het onderzoeksteam ook een nieuwe rekentool ontwikkeld. Deze tool kan direct berekenen hoe sterk een materiaal topologisch gedrag vertoont.