В отличие от классических компьютеров, в которых бит включен или выключен, представляя либо 0, либо 1, квантовые компьютеры будут обладать исключительным свойством суперпозиции, состоянием, в котором бит может быть как включенным, так и выключенным, или и 0, и 1, в то же время.

Доцент физики Массачусетского технологического института Лян Фу стремится найти новые материалы, которые могут надежно обрабатывать и хранить эту квантовую информацию. Его недавняя работа представляет новое понимание того, как соединить свойства сверхпроводящих материалов, которые показывают эту суперпозицию в макроскопическом масштабе, с новыми математическими решениями для кодирования данных и защиты их от неизбежных ошибок в физической системе.

«Меня больше интересуют квантовые вычисления с точки зрения материалов. Можем ли мы использовать новые материалы, которые, возможно, лучше подходят для создания квантового компьютера? » - спрашивает Фу. «Мы как бы наводим мост между абстрактной математикой и, с другой стороны, конкретными материалами, поэтому мы можем применять передовые математические инструменты для изучения свойств материалов и даже предсказания новых фаз материи с новыми свойствами», - объясняет Фу. «Мы надеемся, что их новые свойства могут быть полезны для приложений устройств».

Фу часто сотрудничает с экспериментаторами. «Одна из вещей, которая делает физику конденсированных сред настолько увлекательной для меня, это не только то, что у нас есть понятия фундаментальной важности, но и эти понятия не только как абстрактные теоретические идеи, но они действительно могут быть проверены в экспериментах и ​​некоторых моих предсказаниях. были экспериментально обнаружены. Я лично чувствую, что работать в этом режиме очень увлекательно и очень приятно. Как теоретики, мы используем бумагу и карандаш, чтобы придумывать идеи, а затем мы можем проверить их в лаборатории ».

Спин-триплетное соединение подтверждено

Предсказание Фу в 2010 году, еще будучи постдоком в Гарвардском университете, о том, что конкретная электронная конфигурация, известная как «спин-триплетное спаривание с нечетной четностью», может быть основой для сверхпроводимости вдоль поверхности материала селенида висмута с небольшим количеством медь добавлена ​​недавно подтвердил японские экспериментаторы во главе с Го-цин Чжэн. Эти исследователи использовали ядерный магнитный резонанс, ту же технологию, которая использовалась для сканирования мозга, чтобы показать предсказанную топологическую сверхпроводимость в легированном медью селениде висмута. Сверхпроводимость - это состояние, в котором материал не оказывает сопротивления и электроны свободно текут, что происходит при экстремально низких температурах, а при топологической сверхпроводимости это свойство проявляется только вдоль поверхности материала.

«Мы предложили конкретный материал, легированный селенид висмута, который мог бы стать хорошим кандидатом на топологический сверхпроводник, и затем многие экспериментальные группы попытались выяснить, действительно ли это топологический или нет. Это своего рода извилистый путь », - говорит Фу. В большинстве материалов электроны отталкивают друг друга, но в этих сверхпроводящих материалах при очень низких температурах электроны объединяются в так называемые куперовские пары. «Является ли это топологическим или нет, в значительной степени зависит от внутренней структуры куперовской пары. Итак, тогда для этого конкретного материала мы предположили, что он может иметь определенные типы внутренних симметрий для куперовской пары. Мы перечислили все возможные симметрии и обнаружили, что три из четырех возможных симметрий, если они будут реализованы, приведут к топологическому сверхпроводнику ». С тех пор три отдельных эксперимента проверили теорию, а первые два дали противоречивые результаты. «Теперь в этом эксперименте по ядерному магнитному резонансу были обнаружены явные доказательства наличия триплетной куперовской пары», - говорит Фу.

«Оказывается, что эти проводящие свойства тесно связаны с некоторой фундаментальной математической структурой их квантовых волновых функций, так что именно здесь возникает топология. Топология - это математический инструмент, который мы используем для изучения квантовых волновых функций», - объясняет он.

Премия «Новые горизонты в физике»

Фу был среди избранной группы молодых физиков, удостоенных Премии «Новые горизонты в физике» 2016 года, которая была вручена во время Премия за прорыв церемонии в Маунтин-Вью, штат Калифорния, в ноябре 2015 года. Награда «Новые горизонты» присуждается молодым перспективным исследователям, которые уже подготовили важные работы в области фундаментальной физики.

Квантовая теория может смешивать повседневные представления о реальности, и концепция суперпозиции, возможно, является одной из самых сложных. Суперпозиция говорит, что два электрона могут занимать одно и то же пространство одновременно, в отличие от классической физики, что делает их взаимоисключающими. Знаменитый пример Кот шредингера Дилемма предполагает, что кот в коробке может быть мертвым и живым одновременно. Хотя это было впервые предложено как мысленный эксперимент, лабораторные эксперименты с тех пор продемонстрировали макроскопические квантовые состояния или макроскопическое квантовое поведение. «Это больше не просто мысленный эксперимент. Это реальность, квантовая реальность », - говорит Фу.

«Классически в реальном мире мы будем говорить, что кошка или мертва или жива, но кошка Шредингера, она может находиться в суперпозиции между живым и мёртвым. Вот в чем суть волшебного прикосновения кванта », - объясняет Фу. «В этом веке многое из того, что мы делаем, пытается разработать квантовую технологию, основанную на этих очень сложных и странных концепциях. Я думаю, что это потребует времени. В некоторой степени, многие технологии, которые у нас сейчас есть, например, лазеры, все они основаны на странных квантовых свойствах. Все это решающим образом связано с этим странным квантовым поведением. Мы будем продолжать исследовать все больше и больше, например, эту странную суперпозицию, запутанность и т. Д. Я думаю, что это будет довольно захватывающе », - предсказывает Фу.

Скрининг ошибок

В недавней работе с аспирантом по физике Массачусетского технологического института Сагаром Виджаем и доктором наук Тимоти Х. Се'15 Фу предложил физическую основу для квантового кодирования на основе майорановских фермионов, особый вид электронного состояния, возникающего в топологических сверхпроводниках, и математический метод для отсеивание ошибок, называемых кодом поверхности майорановского фермиона. Используя аналогию с котом Шредингера, Фу объясняет: «Мотивация для этого кода Майораны - любое время, когда вы хотите наблюдать за котом, живым или мертвым - даже если вы готовите кота Шредингера в суперпозиции между живым и мертвым - после того, как вы измерите оно либо живое, либо мертвое. Квантовая информация уже потеряна. В тот момент, когда вы наблюдаете это, квантовая информация исчезла ».

Фу сначала переправу эти майорановские штаты в качестве аспиранта в университете Пенсильвании при физике конденсированных сред Чарльз Кейн.

«Независимо от того, какую физическую платформу мы используем для создания квантовых компьютеров, всегда есть эта глубокая проблема, с одной стороны, мы хотим сохранить квантовую информацию, мы хотим использовать ее для обработки информации, с другой стороны, либо когда мы наблюдать его намеренно или когда среда случайно наблюдает квантовое состояние, квантовая информация исчезает », - говорит он. Эта потеря квантового состояния называется декогеренцией. «Мы должны придумать способ борьбы с процессом декогеренции, чтобы как можно дольше поддерживать квантовую информацию. Конечно, во время вычислений мы хотим сохранить квантовую информацию нетронутой ».

Один из подходов к решению этой дилеммы - это топологический подход. «Мы хотим найти макроскопическую квантовую систему, в которой информация защищена топологическим способом. Объединяя топологический сверхпроводник с подходом с исправлением ошибок, мы считаем, что у нас есть надежная платформа для квантовой обработки информации », - говорит Фу. Виджай и Се разработали математическое решение, которое они называют кодом поверхности Майорана, для исправления ошибок в этой системе. «У меня есть особый тип системы, в которой, если на кубите возникает ошибка, которую я не измеряю, то измерения других кубитов скажут мне, какая ошибка произошла», - говорит Виджай. (Се сейчас работает в Институте теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре, штат Калифорния).

Острова сверхпроводящих колец

Информация может храниться в сверхпроводящем кольце, через которое ток может течь без потерь энергии в течение нескольких дней или лет. «В этом случае вся система, состоящая из огромного количества электронов, они выполняют одно и то же квантовое поведение, делая одно и то же вместе», - объясняет Фу. Что делает его квантовым свойством, так это то, что сверхток может течь в суперпозиции как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. «Такая суперпозиция - это то, что мы подразумеваем под квантовой информацией. Этот вид квантовой информации на самом деле хранится в потоке сверхтока в макроскопической наблюдаемой. Вот что я имею в виду под макроскопическим состоянием, которое кодирует квантовую информацию. Это подход, который мне очень нравится, потому что он тесно связан с изучением материалов ».

Подход майорановского фермиона соединяет островки сверхпроводящих колец в сотовой решетке поверх поверхности топологического изолятора. Группа из семи из этих колец с шестью окружающими кольцами вокруг центрального кольца называется плакеткой. Вокруг каждого из этих шестигранных колец, в точках, где три кольца имеют общий угол, электроны объединяются в пары с четырьмя различными возможными конфигурациями в зависимости от их спина или направления импульса, при этом фермион Майорана является наиболее перспективным для квантовые вычисления. «В топологическом сверхпроводнике присутствуют эти возбуждения майорановских фермионов», - говорит Фу. «Это коллективная собственность многих электронов». гайд был опубликован 10 декабря 2015 года в онлайн-журнале Физический обзор X.

По словам Фу, когда он впервые понял модель майорановской плакетки, он спросил, как ее можно использовать. «Мы много думали о том, как использовать эту модель, и в конце концов поняли, что она идеально подходит для квантовой коррекции ошибок, для квантовой обработки информации. Это сюрприз. Мы не понимали, что это было так идеально для этой цели », - говорит он.

«Система, которая нас интересует, является топологическим сверхпроводником, поэтому она обладает определенными топологическими свойствами, и в результате квантовая информация в некоторой степени защищена от определенных типов недостатков, определенных типов процесса декогеренции. но этого не достаточно. Есть еще другие типы декогеренции, которые могут разрушить квантовую информацию, закодированную в топологических сверхпроводниках, поэтому, чтобы исправить этот второй тип возмущений, мы должны использовать исправление ошибок », - объясняет Фу.

Эксперты из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разрабатывают устройство со сверхпроводящими островками, нанесенными поверх топологических изоляторов, за исключением того, что массив состоит из квадратов, а не шестиугольных форм, отмечает Фу.

Фу, которому 31 год, поступил на факультет физики в Массачусетском технологическом институте в 2012 году. Он преподает на старших курсах 8.321 (физика твердого тела), который, по его словам, часто является первым классом, где студенты получают решения, которые включают множество приближений, что контрастирует с пошаговые, строгие решения в механике, например. «В первый раз, когда кто-то сталкивается с такого рода курсом, можно задаться вопросом, естественно, с таким количеством приближений, есть ли еще что-то разумное, что вы можете сказать?» Фу объясняет, вопрос, который он задал себе как студент. «Но, вы знаете, это работает. Это работает, и это своего рода волшебная вещь в физике твердого тела или физике конденсированного состояния, что, поскольку система настолько сложна, мы должны принимать приближения. Мы должны принимать приближения, но многие из коллективного поведения материалов являются устойчивыми. Несмотря на все эти приближения, пока ключевые ингредиенты сохраняются, мы можем сказать что-то разумное, и мы можем добиться большого прогресса. Я стараюсь донести это до моих учеников ».

Сгущенное вещество

По словам Фу, в отличие от физики высоких энергий, в которой целеустремленность сосредоточена на понимании фундаментальных частиц и сил, из которых все состоит, физика конденсированного состояния охватывает широкий спектр усилий по пониманию коллективных свойств материалов. «Чтобы понять макроскопические свойства материалов, мы действительно не имеем дело с отдельными частицами; мы имеем дело с поведением, которое возникает, когда огромное количество частиц взаимодействует друг с другом. Вот откуда возникает проблема. Это сложность, связанная со сложностью, когда множество частиц взаимодействуют друг с другом. Даже если мы знаем фундаментальный закон, который регулирует взаимодействие между двумя частицами, очень трудно определить свойства, когда много, много частиц одновременно взаимодействуют друг с другом. Так что это главная задача физики конденсированных сред », - объясняет он.

«Мы находим новый материал и затем думаем: как мы можем использовать этот материал? Время от поиска нового материала до поиска приложения для этого материала может быть очень долгим », - предлагает он. Хотя алюминий был обнаружен в 19 веке, он изначально считался заменителем серебра. Но только в 20 веке алюминий нашел свое идеальное применение в самолетах, потому что он очень легкий. «Потребовалось более 100 лет, чтобы найти хорошее применение для чего-то вроде алюминия», - говорит он. Точно так же такие материалы, как селенид висмута и графен, могут найти совершенно иное применение через 50 лет, чем предполагалось сегодня, считает он.

Фу живет в Винчестере со своей женой Миан Цинь. У них двое детей, 6-летний сын и 3-летняя дочь. Цинь, который имеет докторскую степень в области машиностроения, работает в компании, которая разрабатывает программное обеспечение для численного моделирования для расчета электромагнитных волн и гидродинамики. Фу любит читать, кататься на лыжах и играть со своими детьми.