新发现的超导体材料可能是“量子计算机的硅”

 tianxiadiyi   2019-08-14 11:14   46 人阅读  0 条评论
新发现的超导体材料可能是“量子计算机的硅”

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美国国家标准与技术研究院(NIST)已经发现了一种用于构建量子计算机的潜在有用材料,该研究所的科学家发现了一种超导体,它可以避开阻碍有效量子逻辑电路的主要障碍之一。 化合物铀二碲化物(UTe2)中新发现的特性表明,它可以证明对量子计算机开发的其中一个产生高度抵抗 - 制造这种计算机的存储器存储开关(称为量子位)的难度足以完成一个在失去允许它们作为一个群体运作的微妙物理关系之前的计算。由于来自周围世界的干扰,这种称为量子相干的关系难以维持。 该化合物对磁场的不寻常和强大的抵抗力使其成为超导(SC)材料中的稀有鸟类,它为量子比特设计提供了明显的优势,主要是它们能够抵抗容易进入量子计算的误差。根据研究团队的Nick Butch的说法,UTe2的特殊行为可能使其对新生的量子计算机行业具有吸引力。 “这可能是量子信息时代的核心,”NIST中子研究中心(NCNR)的物理学家布奇说。“你可以使用铀二碲化物来构建高效量子计算机的量子比特。” 该团队的研究结果,包括马里兰大学和艾姆斯实验室的科学家,今天出现在“ 科学 ”杂志上。他们的论文详细介绍了UTe2的不常见属性,这些属性从技术应用和基础科学的角度来看都很有趣。 其中之一是通过UTe2合作导电的电子的不寻常方式。在铜线或其他普通导体中,电子作为单个粒子传播,但在所有SC中它们形成所谓的库珀对。导致这些配对的电磁相互作用是材料超导性的原因。在发现配对的三位科学家之后,对这种超导性的解释被称为BCS理论(并且因为这样做而分享了诺贝尔奖)。 对于这种Cooper配对而言,特别重要的是所有电子都具有的特性。它被称为量子“旋转”,它使电子表现得好像它们每个都有一个小磁棒穿过它们。在大多数SC中,成对电子的量子自旋以单一方向定向 - 一个电子指向上方,而其伙伴指向下方。这种相反的配对称为旋转单线态。 然而,少数已知的超导体是不符合规范的,UTe2看起来就属于其中。他们的Cooper对可以将它们的旋转定向为三种组合中的一种,使它们旋转三联体。这些组合允许Cooper对自旋平行而不是相反。大多数自旋三重态SC也被预测为“拓扑”SC,具有非常有用的性质,其中超导性将发生在材料的表面上并且即使面对外部干扰也将保持超导。 “这些平行旋转对可以帮助计算机保持功能,”Butch说。“由于量子涨落,它无法自发崩溃。” 到目前为止,所有量子计算机都需要一种方法来纠正从周围环境中蔓延的错误。长期以来,SC被认为具有作为量子计算机部件的基础的一般优点,并且量子计算机开发中的几个最近的商业进步涉及由超导体制成的电路。拓扑SC的属性 - 量子计算机可能采用的 - 将具有不需要量子误差校正的附加优点。 “我们想要拓扑SC,因为它可以为你提供无差错的量子比特。它们可以有很长的使用寿命,”Butch说。“拓扑SC是量子计算的替代途径,因为它们可以保护量子比特不受环境影响。” 在探索铀基磁体时,该团队偶然发现了UTe2,通过改变化学,压力或磁场,可以根据需要调整其电子特性 - 这是您需要可定制材料时的有用功能。(这些参数都不是基于放射性。该材料含有“贫化铀”,只有轻微的放射性。由UTe2制成的Qubits很小,并且很容易被计算机的其他部分屏蔽掉。) 该团队没想到该化合物具有他们发现的特性。 “UTe2最早是在20世纪70年代创建的,甚至最近的研究文章都将其描述为不起眼,”Butch说。“我们在合成相关材料的过程中碰巧制造了一些UTe2,所以我们在较低温度下进行了测试,看看是否有一些现象可能被忽略了。我们很快意识到我们手上有一些特别的东西。” NIST团队开始在NCNR和马里兰大学使用专业工具探索UTe2。他们看到它在低温下(低于-271.5摄氏度,或1.6开尔文)变成超导体。它的超导特性类似于同时具有铁磁性的稀有超导体 - 就像低温永磁体一样。然而,奇怪的是,UTe2本身并不是铁磁性的。 “仅仅因为这个原因,UTe2基本上是新的,”Butch说。 它还具有很强的抗磁场能力。通常,场会破坏超导性,但是根据场的应用方向,UTe2可以承受高达35特斯拉的场。这是典型冰箱磁铁的3500倍,比大多数低温拓扑SC都要耐用多倍。 虽然该团队尚未最终证明UTe2是拓扑SC,但Butch表示这种对强磁场的不寻常抵抗意味着它必须是自旋三重SC,因此它也可能是拓扑SC。这种抗性也可能有助于科学家了解UTe2的本质,也可能了解超导性本身。 “进一步探索它可能会让我们深入了解这些平行旋转SC的稳定性,”他说。“SC研究的一个主要目标是能够很好地理解超导性,以便我们知道在哪里寻找未被发现的SC材料。现在我们不能那样做。那么它们是必不可少的?我们希望这些材料能告诉我们更多。”。由必发365官网编辑报道
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