Квантовий прорив: нове відкриття змінить роботу електроніки та комп'ютерів нового покоління

Учені зі США випробували новий метод управління електрикою, який може стати ключем до створення квантових комп'ютерів та електронних пристроїв нового покоління. Стаття про це дослідження з'явилася в журналі Nature Materials.

Команда з Університету штату Пенсільванія розробила новий спосіб, щоб змінювати напрямок потоку електронів у певних квантових матеріалах. Вони провели експерименти і змогли домогтися квантового аномального ефекту Холла (QAH) — фізичного явища, за якого енергія не втрачається, якщо струм проходить по краях матеріалу.

"Оскільки електронні пристрої стають меншими, а обчислювальні потреби зростають, стає дедалі важливішим знайти способи підвищення ефективності передавання інформації, включно з контролем потоку електронів", — прокоментував професор Цуй-Зу Чанг.

Саме Цзуй-Зу Чанг першим домігся аномального ефекту Холла під час експериментів у 2013 році. Матеріали, в яких виникає це явище, називаються ізоляторами QAH. Вони являють собою плівки товщиною всього в кілька десятків атомів з магнітними властивостями, тому проводять струм тільки по краях. Електрони рухаються тільки в одному напрямку з кожного боку, "як на двосмуговому шосе", тому енергія не розсіюється у вигляді тепла.

"Наша більш рання робота продемонструвала, як збільшити ефект QAH, по суті створивши багатосмугове шосе для більш швидкого переміщення електронів. У цьому дослідженні ми розробляємо новий електричний метод управління напрямком руху електронів і забезпечуємо можливість цим електронам миттєво розвернутися", — пояснив професор Чанг.

Під час роботи вчені виготовили ізолятор QAH з особливими властивостями і помітили, що імпульс струму протягом 5 мілісекунд змінює внутрішній магнетизм матеріалу і змушує електрони рухатися в іншому напрямку. Це набагато зручніше, ніж застосовувати зовнішні магніти, як це зазвичай роблять для зміни напрямку струму. Однак такий спосіб непрактичний для електронних пристроїв, таких як смартфони, адже магніти займають багато місця. Електронні перемикачі набагато компактніші та швидші за магнітні, а тепер знайдено зручний метод їх застосування.

Як вважають дослідники, заміну магнітних на електронні механізми управління в квантових матеріалах можна порівняти з революцією, що не так давно сталася в сховищах пам'яті: спочатку в жорстких дисках і дискетах використовували магніти, але потім з'явилася "флешпам'ять", де дані записуються в цифровому вигляді. Утім, нові технології з високим потенціалом, такі як MRAM, знову засновані на фізичних елементах і магнетизмі.

Зараз команда шукає спосіб, як зупиняти рух електронів, щоб вмикати або вимикати систему. Вони також хочуть домогтися ефекту QAH у тепліших умовах, адже зараз для роботи квантових комп'ютерів і надпровідників потрібна наднизька температура — майже абсолютний нуль.

Контроль над напрямком струму — ключова вимога для ефективного передавання, зберігання і пошуку інформації в квантових комп'ютерах. На відміну від сучасної електроніки, де дані зберігаються у вигляді двійкового коду, що використовує значення "1" або "0", квантові системи можуть зберігати дані одночасно в багатьох станах. Управління струмом дасть змогу записувати і розшифровувати їх.

Раніше писали, що Atom Computing створила перший у світі квантовий комп'ютер із 1000 кубітів. Це вдвічі більше, ніж у попереднього комп'ютера-рекордсмена від IBM, і допоможе створити безпомилкові системи високої продуктивності.