2D порядок защищает несколько запутанных состояний, которые могут быть использованы в квантовых вычислениях
американские и немецкие физики нашли удивительные доказательства того, что одно из самых известных явлений современной физики-квантовый эффект Холла — «перевоплощается» в топологические сверхпроводники, которые могут быть использованы для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров.
Открытие в 1980 году квантового эффекта Холла положило начало изучению топологических порядков, электронных состояний с» защищенными » паттернами дальнодействующей квантовой запутанности, которые удивительно надежны. Стабильность этих защищенных состояний чрезвычайно привлекательна для квантовых вычислений, которые используют квантовую запутанность для хранения и обработки информации.
В исследовании, опубликованном в интернете в этом месяце в Physical Review X (PRX), физики-теоретики из Университета Райса, Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) и технологического института Карлсруэ (KIT) в Карлсруэ, Германия, представили убедительные численные доказательства удивительной связи между 2D и 3D фазами топологической материи. Квантовый эффект Холла был обнаружен в двумерных материалах, и лаборатории по всему миру ведут гонку за созданием трехмерных топологических сверхпроводников для квантовых вычислений.
«В этой работе мы показали, что определенный класс 3D-топологических сверхпроводников должен демонстрировать» энергетические стеки «2D-электронных состояний на своих поверхностях», — сказал соавтор Райса Мэтью Фостер, адъюнкт-профессор физики и астрономии и член Центра Райса по квантовым материалам (RCQM). «Каждое из этих сложенных состояний является надежной «реинкарнацией» одного, очень особого состояния, которое происходит в 2D квантовом эффекте Холла».
Квантовый эффект Холла впервые был измерен в двумерных материалах. Фостер использует аналогию «перколяции», чтобы помочь визуализировать странное сходство между тем, что происходит в 2D-квантовых экспериментах Холла, и 3D-вычислительными моделями исследования.
«Представьте себе лист бумаги с картой изрезанных вершин и долин, а затем представьте, что происходит, когда вы заполняете этот ландшафт водой», — сказал он. — Вода — это наши электроны, а когда уровень жидкости низок, у вас просто есть изолированные озера электронов. Озера отсоединены друг от друга, и электроны не могут проходить через объем. Если уровень воды высок, у вас есть изолированные острова, и в этом случае острова подобны электронам, и вы также не получаете объемной проводимости».
По аналогии с Фостером, изрезанный ландшафт — это электрический потенциал двумерного материала, а уровень прочности соответствует количеству примесей в системе. Уровень воды представляет собой «энергию Ферми», понятие в физике, которое относится к уровню заполнения электронов в системе. Края бумажной карты аналогичны 1D-краям, окружающим 2D-материал.
«Если вы добавляете воду и настраиваете уровень жидкости точно до точки, где у вас есть маленькие мостики воды, соединяющие озера, и маленькие мостики суши, соединяющие острова, тогда путешествовать по воде или по суше так же легко», — сказал Фостер. — Это порог перколяции, который соответствует переходу между топологическими состояниями в квантовом зале. Это особое двумерное состояние в квантовом зале.
«Если вы увеличите уровень жидкости больше, теперь электроны пойманы в ловушку в изолированных островках, и вы подумаете: «Ну, у меня такая же ситуация, как и раньше, без проводимости». Но при особом переходе одно из электронных состояний отошло к краю. Добавление большего количества жидкости не устраняет краевое состояние, которое может обойти весь образец, и ничто не может его остановить».
Аналогия описывает связь между робастной краевой проводимостью и объемной тонкой настройкой через специальный переход в квантовом эффекте Холла. В исследовании PRX Фостер и соавторы Бьорн Сбьерски из Калифорнийского университета в Беркли и Джонас Карчер из KIT изучали 3D-топологические системы, которые похожи на 2D-ландшафты по аналогии.
«Интересные вещи в этих 3D-системах также происходят только на границе», — сказал Фостер. «Но теперь наши границы-это не 1D-граничные состояния, а 2D-поверхности».
Используя «численные вычисления грубой силы поверхностных состояний», Сбьерский, Карчер и Фостер обнаружили связь между критическим двумерным квантовым состоянием Холла и трехмерными системами. Подобно 1D-граничному состоянию, которое сохраняется выше энергии перехода в 2D-квантовых Холловских материалах, расчеты выявили постоянное 2D-граничное состояние в 3D-системах. И не просто любое 2D-состояние; это точно такое же 2D-перколяционное состояние, которое порождает 1D-квантовые краевые состояния Холла.
«То, что было тонко настроенным топологическим квантовым фазовым переходом в 2D, было» реинкарнировано «как общее поверхностное состояние для объемной массы более высокой размерности»,-сказал Фостер. «В исследовании 2018 года Моя группа выявила аналогичную связь между другим, более экзотическим типом 2D-квантового эффекта Холла и поверхностными состояниями другого класса 3D-топологических сверхпроводников. С этими новыми доказательствами мы теперь уверены, что существует глубокая топологическая причина этих связей, но на данный момент математика остается неясной».
Топологические сверхпроводники еще не были реализованы экспериментально, но физики пытаются создать их, добавляя примеси к топологическим изоляторам. Этот процесс, известный как легирование, широко использовался для изготовления других типов нетрадиционных сверхпроводников из объемных изоляторов.
«Теперь у нас есть доказательства того, что три из пяти 3D-топологических фаз связаны с 2D-фазами, которые являются версиями квантового эффекта Холла, и все три 3D-фазы могут быть реализованы в» топологических сверхпроводниках», — сказал Фостер.
Фостер сказал, что общепринятая точка зрения в физике конденсированных сред состоит в том, что топологические сверхпроводники будут содержать только одно защищенное двумерное поверхностное состояние, а на все остальные состояния будут отрицательно влиять неизбежные дефекты в твердотельных материалах, используемых для создания сверхпроводников.
Но расчеты Сбирского, Карчера и Фостера показывают, что это не так.
«В квантовом зале вы можете настроиться где угодно и все равно получить это надежное плато проводимости из-за 1D-краевых состояний», — сказал Фостер. «Наша работа предполагает, что это также имеет место в 3D. Мы видим стеки критических состояний на разных энергетических уровнях, и все они защищены этой странной реинкарнацией двумерного квантового переходного состояния Холла».
Авторы также подготовили почву для экспериментальной работы по проверке своих результатов, разработав детали того, как должны проявляться поверхностные состояния трехмерных фаз в различных экспериментальных зондах.
— Мы предоставляем точные статистические «отпечатки» для поверхностных состояний топологических фаз, — сказал Фостер. «Фактические волновые функции случайны из-за беспорядка, но их распределения универсальны и соответствуют квантовому переходу Холла».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом грант карьеры (1552327), немецкой национальной академии наук Леопольдина (ЛПДС 2018-12), комплект исследовательский грант путешествия, немецкого государственного финансирования высшей и библиотеки Калифорнийского университета в Беркли Беркли детально исследовать влияние инициативы.
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200518162651.htm
Загрузка...
