Odkrycie wskazuje na pamięć typu flash do przechowywania kubitów

Fizycy z Uniwersytetu Rice odkryli materiał kwantowy ze zmianą fazową – i sposób na znalezienie więcej podobnych – który można wykorzystać do stworzenia pamięci typu flash, zdolnej do przechowywania kwantowych bitów informacji, czyli kubitów, nawet gdy działa komputer kwantowy . pod.

W dostępnej na rynku nieulotnej pamięci cyfrowej zastosowano materiały zmiennofazowe. Na przykład w przypadku płyt DVD wielokrotnego zapisu laser służy do podgrzewania małych kawałków materiału, które następnie są schładzane w celu utworzenia kryształów lub amorficznych bloków. Do przechowywania jedynek i zer cyfrowych bitów informacji wykorzystywane są dwie fazy materii, o bardzo różnych właściwościach optycznych.

W Badanie otwartego dostępu Niedawno opublikowane w Komunikacja przyrodniczaPodobnie fizyk Ming Yi z Rice i ponad trzydziestu współautorów z kilkunastu instytucji wykazali, że mogą wykorzystać ciepło do przełączenia kryształu żelaza, germanu i telluru między dwiema fazami elektronicznymi. W każdym z nich ograniczony ruch elektronów wytwarza topologicznie chronione stany kwantowe. Ostatecznie przechowywanie kubitów w stanach chronionych topologicznie mogłoby zmniejszyć błędy związane z dekoherencją, które są plagą obliczeń kwantowych.

„To było całkowite zaskoczenie” – powiedział Yee o odkryciu. „Początkowo interesowaliśmy się tym materiałem ze względu na jego właściwości magnetyczne. Potem jednak dokonywaliśmy pomiaru i widzieliśmy tę fazę, a potem przy kolejnym pomiarze widzieliśmy drugą fazę. Nominalnie był to ten sam materiał, ale wyniki były bardzo skrajny.” Różny.”

Odszyfrowanie tego, co działo się podczas eksperymentów, wymagało ponad dwóch lat wspólnej pracy z dziesiątkami kolegów. Naukowcy odkryli, że niektóre próbki kryształów schładzały się szybciej niż inne, gdy zostały podgrzane przed przeprowadzeniem eksperymentów.

W przeciwieństwie do materiałów stosowanych w większości technologii pamięci ze zmianą fazy, Ye i jego współpracownicy odkryli, że stop żelaza, germanu i telluru nie wymaga topienia i rekrystalizacji w celu zmiany faz. Zamiast tego odkryli, że puste miejsca atomowe w sieci krystalicznej, zwane wakatami, ułożone są w różny sposób w zależności od tego, jak szybko kryształ był chłodzony. Aby przejść z jednej typowej fazy do drugiej, wykazano, że można po prostu ponownie podgrzać i ochłodzić kryształ przez dłuższy lub krótszy okres czasu.

„Jeśli chcesz zmienić układ wolnych miejsc w materiale, zwykle dzieje się to w temperaturach znacznie niższych niż te potrzebne do stopienia wszystkiego” – powiedział Yi.

Powiedziała, że ​​w niewielu badaniach analizowano, jak zmieniają się właściwości topologiczne materiałów kwantowych w odpowiedzi na zmiany w rozmieszczeniu wolnych miejsc.

„To jest główne ustalenie” – stwierdziła w artykule na temat nakazu przeniesienia wakatu. „Ważny jest pomysł wykorzystania kolejności wolnych miejsc do kontrolowania topologii. Tak naprawdę nie został on zbadany. Ludzie na ogół patrzyli na materiały tylko z perspektywy w pełni symetrycznej, co oznacza, że ​​wszystko jest zajęte przez ustaloną zbiór symetrii prowadzących do „jednego rodzaju topologii elektronicznej”. Zmiany w rozmieszczeniu wakatów zmieniają symetrię sieci. Ta praca pokazuje, jak może to zmienić topologię elektroniczną. Wydaje się prawdopodobne, że porządkowanie wakatów można wykorzystać do wywołania zmian topologicznych również w innych materiałach. „

„Jestem zdumiewający, że moi koledzy-eksperymentanci potrafią tak szybko zaaranżować zmianę symetrii kryształu” – powiedział fizyk teoretyczny Rice Kimiao Si, współautor badania. „Pozwala to na całkowicie nieoczekiwaną, ale całkowicie pożądaną zdolność transformacyjną również w teorii jako sposób, w jaki staramy się projektować nowe kształty.” topologii i jej kontroli poprzez współpracę pomiędzy silnymi korelacjami i symetrią grup przestrzennych.

Głównymi autorami badania są Han Wu i Li Chen, obaj z Rice. Inni współautorzy Rice to Jianwei Huang, Xiaokun Ting, Yucheng Guo, Mason Clem, Zhuqiao Shi, Chandan Seti, Yaofeng Xie, Bin Zhao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimu Han i C. Ye, Dai, Han, Kono i Si są członkami Rice Quantum Initiative i Rice Center for Quantum Materials.

Współautorami badania są naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, Los Alamos National Laboratory, Uniwersytetu Kyung Hee w Korei Południowej, Uniwersytetu Pensylwanii, Uniwersytetu Yale, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, Uniwersytetu Cornell, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Uniwersytet Stanford. Krajowe Laboratorium Akceleratorów w Centrum Akceleratorów Liniowych, Laboratorium Krajowym w Brookhaven i Laboratorium Krajowym Lawrence Berkeley.