Законы фундаментальной физики обычно симметричны относительно времени. Если записать на видео движение идеального маятника или бильярдных шаров и пустить пленку в обратную сторону, уравнения физики будут работать точно так же — разницы между «вперед» и «назад» нет. Это свойство называется симметрией обращения времени.
Физики создали сверхпроводник, «нарушающий» симметрию времени
Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов, проводить электрический ток без сопротивления. В новом исследовании ученые открыли сверхпроводящий материал, который не только проводит энергию без потерь, но и проявляет странное фундаментальное свойство: этот материал на квантовом уровне нарушает симметрию времени. Это его свойство может стать основой новых квантовых процессоров, устойчивых к помехам.
Сверхпроводимость. AI/ScienceDaily.com
Почему квантовые компьютеры «боятся» шума. Главное препятствие на пути к мощным квантовым компьютерам — хрупкость кубитов. В отличие от обычных битов, квантовые состояния легко разрушаются от малейшего изменения температуры или внешних полей. Материалы с нарушенной симметрией времени создают так называемую топологическую защиту: они словно прячут информацию в самой геометрии материала, делая кубиты устойчивыми к случайным внешним сбоям.
В большинстве сверхпроводников электроны объединяются в пары и двигаются сквозь кристаллическую решетку так, что их общее поведение остается одинаковым независимо от направления времени. Но физики из Индийского института научного образования и исследований в Бхопале обнаружили, что соединение диантимонид иттербия нарушает это правило.
Схема исследования. В центре: шары бирюзового цвета обозначают элемент иттербий (Yb), а шары бронзового цвета — сурьму (Sb).
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Если материал охлаждают до минус 272 градусов Цельсия, и он переходит в сверхпроводящее состояние, внутри него самопроизвольно возникают крошечные магнитные поля. Если направление времени изменить — магнитное поле тоже изменит направление на противоположное. В таком внутреннем поле система больше не выглядит одинаково при изменение направления времени. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Топологическая квантовая память
Топологические квантовые вычисления. Иллюстрация.
Обычно симметрию времени нарушают лишь крайне сложные, экзотические сверхпроводники II типа, требующие изощренной инженерии. Новый материал относится к так называемому I типу — самым простым и «классическим» сверхпроводникам, от которых физики не ожидали такого странного поведения.
Причиной аномалии оказалось нетипичное объединение электронов: На практике это означает, что в объеме кристаллической решетки материал работает как классический сверхпроводник, а на его поверхности возникают особые квантовые состояния. Они позволяют защитить квантовую информацию от внешних помех — тепла и электромагнитного шума. Именно такие помехи разрушают вычисления в современных квантовых компьютерах.
Топологический квантовый чип компании Microsoft, Majorana (на фото), может стать настоящим прорывом в области квантовых вычислений, но многие физики скептически относятся к тому, что чип действительно способен выполнять заявленные функции.
Созданный физиками простой материал с необычным свойством может стать фундаментом для процессоров будущего и позволит наконец создать первый реальный топологический квантовый процессор, которые сегодня существуют только в теории.
Загружаем