Novi superprovodnik mogao bi dovesti do revolucije u kvantnom računarstvu

Superprovodnost je svojstvo nultog električnog otpora na ultraniskim temperaturama, a otkrio ju je holandski fizičar Kamerling-Ones 1911. Ona ima ključnu ulogu u mnogim industrijama i tehnologijama, u rasponu od kvantnog računarstva do energije, piše Advanced Science News.

„Superprovodnici su čudesni materijali koji imaju mnoge čudne osobine“, kaže Džo Kerol, istaživač sa Univerzitetskog koledža Kork. „Najpoznatija osobina je što omogućavaju elektricitetu da teče sa nultim otporom. To jest, ako pustite struju kroz njih, ne počnu da se zagrevaju; u stvari, ne rasipaju nikakvu energiju uprkos prenošenju ogromne struje“.

„To mogu da rade zato što umesto pojedinačnih elektrona koji se kreću kroz metal imamo parove elektrona koji se vezuju...i formiraju makroskopsku kvantnu mehaničku tečnost“, rekao je on.

Neobična svojstva Kuperovih parova

Ti parovi elektrona nazivaju se Kuperovim parovima i bitni su za superprovodnost, formirajući se kad prevaziću svoju uobičajenu odbojnost i ispolje privlačeću interakciju. Zanimljivo je da u zavisnosti od materijala, Kuperovi parovi stupaju u različite interakcije među sobom i sa kristalnom rešetkom datog materijala.

U nekim slučajevima, formiraju periodične modulacije u gustini elektronskih parova unutar kristalne rešetke, što je fenomen poznat kao talasi gustine elektronskih parova. Ovo je 2016. otkrila Grupa za makroskopsku kvantnu materiju, koju je predvodio Šejmus Dejvis, profesor na Univerzitetskom koledžu Kork.

Otada Kerol i međunarodni tim saradnika istražuju osobine talasa gustine elektronskih parova, sa fokusom na materijal poznat kao uranijum ditelurid (UTe2).

Naučnici kažu da su sad, u nedavnoj studiji, došli do značajnog otkrića. Izgleda da Kuperovi parovi formirani u superprovodniku ispoljavaju ponašanje slično klasičnoj rotaciji, ali na kvantnom mehaničkom nivou. Ova opservacija je važna zato što je to prvi put da je takvo ponašanje viđeno u periodu dužem od sto godina izučavanja ovih materijala.

„Ono što je naročito uzbudljivo za nas i širu zajednicu jeste da se čini da je UTe2 novi tip superprovodnika“, rekao je Kerol. „Fizičari tragaju za takvim materijalom skoro 40 godina. Čini se da parovi elektrona imaju intrinsični moment impulsa. Ako je to tačno, onda smo detektovali talas gustine sastavljen od ovih egzotičnih parova elektrona“.

Rotacija Kuperovih parova

Prethodne studije UTe2 sugerisale su da Kuperovi parovi postoje u nekom netrivijalnom rotacionom stanju, ali su naučnici sad prvi put izmerili to svojstvo direktno.

To su uradili pomoću tehnike zvane skenirajuća tunelska mikroskopija, što je način analiziranja površine datog materijala pomoću kvantnog tuneliranja – fenomen u kvantnoj mehanici kad čestica može da prođe kroz potencijalnu energetsku barijeru koju, prema klasičnoj fizici, ne bi trebalo da može da probije.

Tehnika se sastoji od postavljanja provodne sonde na površinu materijala, što ima ulogu „senzora“ za elektrone dok tuneliraju kroz sićušne prostore između sonde i površine.

Ako je materijal superprovodnik, stopa kojom elektroni tuneliraju zavisi od rotacionog stanja Kuperovih parova. Mereći struju proizvedenu prolaskom elektrona kroz vrh sonde, istraživači su mogli da izmere specifične rotacione osobine Kuperovih parova u UTe2.

Primene u kvantnom računarstvu

„Otkad je otkriven pre pet godina, bilo je mnogo istraživanja o UTe2, sa dokazima da se radi o superprovodniku, koji može biti osnova za topološko kvantno računarstvo“, kaže Kerol. „U takvim materijalima nema granice životnog veka kubita tokom računarskog rada, što otvara brojne nove puteve za stabilnije i korisnije kvantne kompjutere“.

Kubiti su analogni bitovima u klasičnim kompjuterima. Međutim, za razliku od bitova, koji imaju vrednost ili 0 ili 1, zahvaljujući principu superpozicije kubiti mogu postojati i kao 1 i kao 0 u isto vreme. To omogućava kvantnim kompjuterima sa nekoliko superimponiranih kubita da skladište ogromne količine podataka i brzo rešavaju složene probleme, situacije ili računarske zadatke. Međutim, postoji problem.

„Problem sa kojim se suočavaju postojeći kvantni kompjuteri je da svaki kubit mora biti u superpoziciji sa dve različite energije – kao što je Šredingerova mačka mogla biti i mrtva i živa“, objašnjava Kerol. „Ovo kvantno stanje se može vrlo lako uništiti padom u stanje najniže energije – ’mrtvo’ – prekidajući tako bilo kakav koristan komjuterski rad.“

U nekim kvantnim kompjuterima, kubiti su petlje superprovodnih materijala u kojima, zbog kvantnih osobina superprovodnosti, električna struja preuzima diskretan skup vrednosti – hipotetički jedinice ili nule. U običnom superprovodniku, superpozicija kubita – petlje materijala sa različitim strujama – lako se razori. Međutim, nekonvencionalna klasa superprovodnika zvanih topološki superprovodnici može se koristiti za stvaranje kubita koji su zapravo otporni na spoljašnje smetnje, čineći ove tipove kvantnih kompjutera mnogo pouzdanijim.

Te materijale karakterišu rotacione osobine i pobuđena stanja Kuperovih parova, što znači da ako su novi nalazi u pogledu UTe2 tačni – to je vrlo dobar kandidat za bazu budućih kvantnih kompjutera.

(Telegraf Nauka/Advanced Science News)