Kemungkinan 'superkonduktor topologi' dapat mengatasi masalah industri decoherence kuantum – Sains Terkini


Bahan yang berpotensi berguna untuk membangun komputer kuantum telah digali di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST), yang para ilmunya telah menemukan superkonduktor yang dapat menghindari salah satu hambatan utama yang menghalangi sirkuit logika kuantum yang efektif.

Sifat-sifat yang baru ditemukan dalam senyawa uranium ditelluride, atau UTe2, menunjukkan bahwa ia dapat terbukti sangat tahan terhadap salah satu tema pengembangan komputer kuantum – kesulitan dalam membuat sakelar penyimpanan memori komputer, yang disebut qubit, berfungsi cukup lama untuk menyelesaikan perhitungan sebelum kehilangan hubungan fisik yang rumit yang memungkinkan mereka untuk beroperasi sebagai kelompok. Hubungan ini, yang disebut koherensi kuantum, sulit dipertahankan karena gangguan dari dunia sekitarnya.

Resistensi yang kuat dan tidak biasa dari senyawa terhadap medan magnet membuatnya menjadi burung langka di antara bahan superkonduktor (SC), yang menawarkan keuntungan berbeda untuk desain qubit, terutama ketahanannya terhadap kesalahan yang dapat dengan mudah masuk ke dalam perhitungan kuantum. Perilaku luar biasa UTe2 dapat membuatnya menarik bagi industri komputer kuantum yang baru lahir, menurut tim riset Nick Butch.

"Ini berpotensi silikon dari era informasi kuantum," kata Butch, seorang fisikawan di Pusat Penelitian Neutron NIST (NCNR). "Anda bisa menggunakan uranium ditelluride untuk membangun qubit komputer kuantum yang efisien."

Hasil penelitian dari tim, yang juga termasuk ilmuwan dari University of Maryland dan Ames Laboratory, muncul hari ini di jurnal Ilmu. Makalah mereka merinci sifat-sifat tidak umum UTe2, yang menarik dari perspektif aplikasi teknologi dan sains fundamental.

Salah satunya adalah cara elektron yang tidak biasa menghantarkan listrik melalui mitra UTe2 ke atas. Dalam kawat tembaga atau konduktor biasa lainnya, elektron berjalan sebagai partikel individu, tetapi dalam semua SCs mereka membentuk apa yang disebut pasangan Cooper. Interaksi elektromagnetik yang menyebabkan pasangan ini bertanggung jawab atas superkonduktivitas material. Penjelasan untuk superkonduktivitas semacam ini dinamai teori BCS setelah tiga ilmuwan yang menemukan pasangan (dan berbagi Hadiah Nobel untuk melakukannya).

Apa yang secara khusus penting untuk pasangan Cooper ini adalah properti yang dimiliki semua elektron. Dikenal sebagai "spin" kuantum, itu membuat elektron berperilaku seolah-olah mereka masing-masing memiliki magnet batang kecil yang melewatinya. Di sebagian besar SC, elektron yang berpasangan memiliki spin kuantumnya berorientasi dalam satu cara – satu elektron mengarah ke atas, sementara mitranya menunjuk ke bawah. Pasangan lawan ini disebut spin singlet.

Sejumlah kecil superkonduktor yang dikenal, adalah nonconformists, dan UTe2 terlihat di antara mereka. Pasangan Cooper mereka dapat berorientasi pada salah satu dari tiga kombinasi, membuat mereka berputar kembar tiga. Kombinasi ini memungkinkan spin pasangan Cooper untuk berorientasi secara paralel daripada dalam oposisi. Kebanyakan SC-triplet spin-diprediksi juga menjadi SC "topologis", dengan sifat yang sangat berguna di mana superkonduktivitas akan terjadi pada permukaan material dan akan tetap superkonduktor bahkan dalam menghadapi gangguan eksternal.

"Pasangan spin paralel ini dapat membantu komputer tetap berfungsi," kata Butch. "Itu tidak dapat secara spontan jatuh karena fluktuasi kuantum."

Semua komputer kuantum hingga saat ini membutuhkan cara untuk memperbaiki kesalahan yang muncul dari lingkungan mereka. SCs telah lama dipahami memiliki keunggulan umum sebagai dasar untuk komponen komputer kuantum, dan beberapa kemajuan komersial baru-baru ini dalam pengembangan komputer kuantum telah melibatkan rangkaian yang terbuat dari superkonduktor. Properti SC topologi – yang mungkin digunakan oleh komputer kuantum – akan memiliki keuntungan tambahan karena tidak memerlukan koreksi kesalahan kuantum.

"Kami ingin topologi SC karena itu akan memberi Anda qubit bebas kesalahan. Mereka bisa memiliki umur yang sangat panjang," kata Butch. "SC topologi adalah rute alternatif ke komputasi kuantum karena mereka akan melindungi qubit dari lingkungan."

Tim menemukan UTe2 ketika menjelajahi magnet berbasis uranium, yang sifat elektroniknya dapat disetel sesuai keinginan dengan mengubah kimia, tekanan, atau medan magnet – fitur yang berguna untuk dimiliki saat Anda menginginkan bahan yang dapat disesuaikan. (Tidak satu pun dari parameter ini didasarkan pada radioaktivitas. Materi tersebut mengandung "uranium yang sudah habis," yang hanya sedikit radioaktif. Qubit yang terbuat dari UTe2 akan menjadi kecil, dan mereka dapat dengan mudah dilindungi dari lingkungan mereka oleh bagian lain dari komputer.)

Tim tidak berharap senyawa memiliki properti yang mereka temukan.

"UTe2 pertama kali diciptakan kembali pada tahun 1970-an, dan bahkan artikel penelitian yang cukup baru menggambarkannya biasa-biasa saja," kata Butch. "Kami kebetulan membuat beberapa UTe2 saat kami mensintesis bahan terkait, jadi kami mengujinya pada suhu yang lebih rendah untuk melihat apakah mungkin beberapa fenomena mungkin diabaikan. Kami segera menyadari bahwa kami memiliki sesuatu yang sangat istimewa di tangan kami." ??

Tim NIST mulai menjelajahi UTe2 dengan alat khusus di NCNR dan University of Maryland. Mereka melihat bahwa itu menjadi superkonduktor pada suhu rendah (di bawah -271,5 derajat Celcius, atau 1,6 kelvin). Sifat superkonduktornya mirip dengan superkonduktor langka yang juga secara bersamaan bersifat feromagnetik – bertindak seperti magnet permanen suhu rendah. Namun, anehnya, UTe2 sendiri tidak bersifat feromagnetik.

"Itu membuat UTe2 secara fundamental baru karena alasan itu saja," kata Butch.

Ini juga sangat tahan terhadap medan magnet. Biasanya suatu bidang akan menghancurkan superkonduktivitas, tetapi tergantung pada arah di mana bidang itu diterapkan, UTe2 dapat menahan bidang setinggi 35 tesla. Ini 3.500 kali lebih kuat dari magnet kulkas biasa, dan berkali-kali lebih banyak daripada kebanyakan SCs topologi suhu rendah dapat bertahan.

Sementara tim belum membuktikan secara meyakinkan bahwa UTe2 adalah SC topologi, Butch mengatakan resistensi yang tidak biasa ini terhadap medan magnet yang kuat berarti bahwa itu harus SC spin-triplet, dan karena itu kemungkinan juga merupakan SC topologis. Perlawanan ini juga dapat membantu para ilmuwan memahami sifat UTe2 dan mungkin superkonduktivitas itu sendiri.

"Menjelajahi lebih lanjut mungkin memberi kita wawasan tentang apa yang menstabilkan SC paralel-spin ini," katanya. "Tujuan utama dari penelitian SC adalah untuk dapat memahami superkonduktivitas dengan cukup baik sehingga kita tahu di mana mencari bahan SC yang belum ditemukan. Saat ini kami tidak dapat melakukan itu. Bagaimana dengan itu penting? Kami berharap materi ini akan memberi tahu kami lebih."

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.