✅Раскрытие потенциала квантовых технологий

 

Профессор химической биологии работает над раскрытием секретов новых состояний материи

На протяжении всей истории человечества большинство наших усилий по хранению информации, от узлов и костей оракула до бамбуковых знаков и написанного слова, сводились к двум методам: использование символов или форм для представления информации. Сегодня огромные объемы информации хранятся на кремниевых пластинах с нулями и единицами, но новый материал на границе квантовой химии и квантовой физики может обеспечить значительные улучшения в хранении.

Суян Сюй, доцент кафедры химической биологии, завязывает квантовомеханические “узлы” в топологических материалах, что может стать ключом к раскрытию потенциала квантовых технологий для хранения и обработки огромных массивов информации и обеспечения революционных достижений в самых разных областях.

“Представьте себе веревку, обозначенную несколькими узлами”, - сказал Сюй. “Независимо от того, насколько сильно изменяется форма веревки, количество узлов, известное как топологическое число, не может быть изменено без изменения его фундаментальной идентичности путем добавления или отмены узлов”. Именно эта надежность потенциально делает топологические материалы особенно полезными.

Сюй, получивший степень бакалавра в Китае, впервые столкнулся с топологическими материалами, когда поступил в аспирантуру по физике в Принстоне в 2008 году, когда материалы только создавались. Научные интересы Сюя включают электронные и оптические свойства в квантовых материях, такие как топологические состояния и состояния нарушенной симметрии.

Топологические материалы перемещают электроны по своим поверхностям и краям без какого-либо трения или потерь, что делает их перспективными материалами для сверхскоростной электроники, такой как квантовые компьютеры. Такие устройства потенциально могут быть более мощными, чем существующие компьютеры, потому что их квантовые биты, называемые “кубитами”, используют два свойства квантовых состояний — суперпозицию и запутанность - для кодирования информации.

Однако квантовые состояния являются деликатными, и когда они нарушаются, это может привести к декогеренции, выпадению из синхронизации и потере сохраненной информации. Поскольку топологические материалы прочны и устойчивы к возмущениям, их можно использовать для создания более устойчивых и долговечных кубитов.

Основы квантовой физики, как объясняют студенты и преподаватели Гарварда.

Видео Кай-Чжэ Вана / Сотрудники Гарварда

Опыт Сюя в области физики и экспериментальной химии позволяет ему проверять квантовые теории в реальном мире. “Несмотря на то, что физики и химики изучают материалы, физики склонны рассматривать их скорее как абстрактные уравнения, в то время как химики занимаются их возникающими свойствами”, - сказал Сюй. “Поскольку я имею чисто физическое образование и говорю на языке химии, я могу перевести сложные теории в реальное пространство”.

С помощью нескольких хорошо обоснованных предположений и некоторых инновационных методов Сюй и его команда преодолевают разрыв между квантовой физикой и химией, проверяя теории на материалах. Во-первых, они предсказывают, какие материалы могут обладать топологическими свойствами. Химические формулы элементов в таких материалах не дают адекватного представления; Сюй также интересуется их макроскопическими свойствами.

“Если бы я изучал воду, пар и лед, только изучая их уравнения H2 0, я бы ничего не узнал об их различных свойствах”. Сказал Сюй. “Как химик, я пытаюсь найти определенные элементы и упорядочить их под микроскопом, чтобы они могли создавать топологические свойства”.

Затем лаборатория Сюя проверяет современные теории о химических реакциях на основе экспериментальных данных, чтобы расширить карту топологических материалов. Используя специализированные холодильники, в которых атомы и молекулы охлаждаются до температур чуть выше абсолютного нуля, при которых они становятся более контролируемыми и более заметными, Сюй и его команда проверяют поток электронов через материалы с токами.

Они также заинтересованы в оптических свойствах материалов, проверяя их взаимодействие со светом. Команда запускает фотоны в материалы и собирает квантово-механические топологические данные на основе того, как свет рассеивается, отражается и передается. Сюй уже предоставил убедительные доказательства существования теоретических частиц, которые отвечают на одну из самых неприятных проблем в квантовой науке.

“Поскольку я имею чисто физическое образование и говорю на языке химии, я могу перевести сложные теории в реальное пространство”.

— Суян Сюй

В исследовании, опубликованном в прошлом году в журнале Nature, Сюй и его команда намеревались изучить свойства аксионов, теоретической элементарной частицы, предложенной физиком Фрэнком Вильчеком. Лауреат Нобелевской премии назвал его в честь марки стирального порошка, потому что он “очистил” сложную, высокотехничную проблему четности сильных зарядов в квантовой хромодинамике, заполнив пробел между теорией и наблюдением.

Кроме того, одно из самых заманчивых предсказаний о состояниях аксионов заключается в том, что мы можем использовать их для управления намагниченностью, что может революционизировать все виды технологий, поскольку магнетизм и магнитные материалы лежат в основе многих, многих приложений.

В классе топологических материалов, называемых аксионными изоляторами, команда Сюя стремилась смоделировать поведение аксиона. Они изготовили устройство с двойным стробированием MnBi2Te4 в среде аргона и измерили его электрические и оптические свойства, открыв новые пути для обнаружения богатой внутренней структуры топологических материалов и управления ею.

“Мы обнаружили реальный материал, который может поддерживать состояние изолятора аксиона”, - сказал Сюй. “Мы подтвердили, что он обладает предсказанными свойствами, сильной связью между электричеством и магнетизмом”.

Предоставив доказательства существования теоретической частицы, Сюй планирует исследовать спиновые свойства полуметаллов Вейля, нового состояния материи, обладающего необычной электронной структурой, которая имеет глубокие аналогии с физикой элементарных частиц и приводит к уникальным топологическим свойствам.