Квантовый прорыв: новое открытие изменит работу электроники и компьютеров нового поколения

Ученые из США испытали новый метод управления электричеством, который может стать ключом к созданию квантовых компьютеров и электронных устройств нового поколения. Статья об этом исследовании появилась в журнале Nature Materials.

Команда из Университета штата Пенсильвания разработала новый способ, чтобы менять направление потока электронов в определенных квантовых материалах. Они провели эксперименты и смогли добиться квантового аномального эффекта Холла (QAH) — физического явления, при котором энергия не теряется, если ток проходит по краям материала.

"Поскольку электронные устройства становятся меньше, а вычислительные потребности растут, становится все более важным найти способы повышения эффективности передачи информации, включая контроль потока электронов", — прокомментировал профессор Цуй-Зу Чанг.

Именно Цзуй-Зу Чанг первым добился аномального эффекта Холла во время экспериментов в 2013 году. Материалы, в которых возникает это явление, называются изоляторами QAH. Они представляют собой пленки толщиной всего в несколько десятков атомов с магнитными свойствами, поэтому проводят ток только по краям. Электроны движутся только в одном направлении с каждой стороны, "как на двуполосном шоссе", поэтому энергия не рассеивается в виде тепла.

"Наша более ранняя работа продемонстрировала, как увеличить эффект QAH, по сути создав многополосное шоссе для более быстрого перемещения электронов. В этом исследовании мы разрабатываем новый электрический метод управления направлением движения электронов и обеспечиваем возможность этим электронам мгновенно развернуться", — объяснил профессор Чанг.

Во время работы ученые изготовили изолятор QAH с особыми свойствами и заметили, что импульс тока в течение 5 миллисекунд меняет внутренний магнетизм материала и заставляет электроны двигаться в другом направлении. Это гораздо удобнее, чем применять внешние магниты, как это обычно делают для изменения направления тока. Однако такой способ непрактичен для электронных устройств, таких как смартфоны, ведь магниты занимают много места. Электронные переключатели намного компактнее и быстрее магнитных, а теперь найден удобный метод их применения.

Как считают исследователи, замена магнитных на электронные механизмы управления в квантовых материалах можно сравнить с революцией, которая не так давно произошла в хранилищах памяти: сначала в жестких дисках и дискетах использовали магниты, но потом появилась "флэш-память", где данные записываются в цифровом виде. Впрочем, новые технологии с высоким потенциалом, такие как MRAM, опять основаны на физических элементах и магнетизм.

Сейчас команда ищет способ, как останавливать движение электронов, чтобы включать или выключать систему. Они также хотят добиться эффекта QAH в более теплой обстановке, ведь сейчас для работы квантовых компьютеров и сверхпроводников требуется сверхнизкая температура — почти абсолютный нуль.

Контроль над направлением тока — ключевое требование для эффективной передачи, хранения и поиска информации в квантовых компьютерах. В отличие от современной электроники, где данные хранятся в виде двоичного кода, использующего значения "1" или "0", квантовые системы могут хранить данные одновременно в многих состояниях. Управление током позволит записывать и расшифровывать их.

Ранее писали, что Atom Computing создала первый в мире квантовый компьютер с 1000 кубитов. Это в два раза больше, чем у предыдущего компьютера-рекордсмена от IBM, и поможет создать безошибочные системы высокой производительности.