Квазичастицы: ключ к квантовым технологиям
В квантовой механике квазичастицы представляют собой коллективные возбуждения группы частиц, ведущие себя как единое целое. Особый интерес вызывают майорановские нулевые моды — уникальные состояния, возникающие в топологических сверхпроводниках. Их ключевая особенность — нулевая энергия. Эти квазичастицы считаются перспективными кубитами для квантовых компьютеров благодаря топологической защищенности: информация в них устойчива к локальным помехам, что делает их идеальной основой для надежных квантовых вычислений.
Трудности обнаружения майорановских мод
Практическое выявление этих квазичастиц сталкивается с серьезными проблемами. В вихре топологического сверхпроводника, помимо самой майорановской моды на нулевой энергии, присутствует множество обычных возбуждений с конечными энергиями. Энергетический зазор между ними крайне мал, что приводит к слиянию их сигналов в эксперименте. Традиционный поиск решения был сосредоточен на экзотических материалах, таких как железосодержащие сверхпроводники, но магнитные дефекты в них часто искажают результаты.
Неожиданное решение от ученых МИФИ
Специалисты Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" предложили неожиданный подход: использовать обычные сверхпроводники, целенаправленно вводя в них немагнитные примеси. Применяя компьютерное моделирование на основе микроскопического подхода Боголюбова-де Жена, исследователи с кафедры физики твердого тела и наносистем (ФТТиН) доказали, что такие примеси работают как эффективный энергетический фильтр.
Принцип работы энергетического фильтра
Немагнитная примесь, способная закрепить вихрь, не влияет на топологически защищенную майорановскую моду. Однако она эффективно "отталкивает" паразитные энергетические состояния. Это объясняется разной природой связанных состояний: майорановская мода устойчива к локальному потенциалу примеси, тогда как обычные состояния чувствительны к беспорядку и их уровни энергии смещаются.
Увеличение энергетического зазора
В результате энергетический зазор между полезным сигналом (майорановской модой) и шумом (обычными возбуждениями) существенно увеличивается. Это позволяет четко зафиксировать пик плотности состояний, соответствующий искомой квазичастице. Расчеты для различных параметров потенциала примеси подтверждают устойчивость эффекта: при усилении потенциала обычные уровни монотонно удаляются от центра запрещенной зоны, изолируя майорановскую нулевую моду.
Значимость для квантовых технологий
Перспективность работы для развития квантовых технологий подчеркнул заведующий кафедрой ФТТиН НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Михаил Маслов: "НИЯУ МИФИ обладает сильной научной школой в области физики сверхпроводимости. Наши исследователи регулярно добиваются результатов мирового уровня. Данное открытие принципиально важно, так как открывает путь к использованию более доступных материалов в квантовых вычислениях. Создание кубитов становится возможным на основе гибридных структур из обычных s-волновых сверхпроводников с применением современных нанотехнологий для формирования искусственных центров пиннинга".
Этот прорывной метод существенно упрощает обнаружение майорановских нулевых мод и приближает создание стабильных кубитов для квантовых компьютеров нового поколения.
Источник: naked-science.ru
