Memória quântica não volátil:descoberta aponta caminho para memória semelhante a flash para armazenamento de qubits
Físicos de cinco laboratórios da Universidade Rice e de mais de uma dúzia de instituições colaboradoras descobriram uma maneira de usar o calor para alternar cristais de ferro, germânio e telúrio entre duas fases topológicas onde bits quânticos de informação, ou qubits, poderiam ser potencialmente armazenados. Os pesquisadores mostraram que os sítios atômicos vazios na estrutura dos cristais são distribuídos aleatoriamente em uma fase (esquerda) e ordenados na outra (direita). Os cristais se formam sob calor intenso, e a rapidez com que esfriam foi demonstrada para determinar sua fase. Para demonstrar, os pesquisadores mostraram que poderiam ligar e desligar as fases reaquecendo os cristais e permitindo-lhes esfriar por períodos de tempo mais longos ou mais curtos. O resultado é uma mudança na simetria cristalina que dita a topologia eletrônica. Crédito:Han Wu/Grupo de Pesquisa Yi/Rice University. Físicos da Rice University descobriram um material quântico de mudança de fase - e um método para encontrar mais coisas semelhantes - que poderia ser usado para criar uma memória semelhante a flash, capaz de armazenar bits quânticos de informação, ou qubits, mesmo quando um computador quântico estiver ligado. abaixo.
Materiais de mudança de fase têm sido usados em memórias digitais não voláteis disponíveis comercialmente. Em DVDs regraváveis, por exemplo, um laser é usado para aquecer pequenos pedaços de material que esfriam para formar cristais ou aglomerados amorfos. Duas fases do material, que possuem propriedades ópticas muito diferentes, são usadas para armazenar os uns e os zeros dos bits digitais de informação.
Em um estudo de acesso aberto publicado recentemente na Nature Communications , o físico Ming Yi, do Rice, e mais de três dezenas de coautores de uma dúzia de instituições mostraram de forma semelhante que poderiam usar o calor para alternar um cristal de ferro, germânio e telúrio entre duas fases eletrônicas. Em cada um deles, o movimento restrito dos elétrons produz estados quânticos topologicamente protegidos. Em última análise, o armazenamento de qubits em estados topologicamente protegidos poderia reduzir potencialmente os erros relacionados à decoerência que têm atormentado a computação quântica.
“Isso foi uma surpresa total”, disse Yi sobre a descoberta. "Estávamos inicialmente interessados neste material por causa de suas propriedades magnéticas. Mas então faríamos uma medição e veríamos esta fase, e depois para outra medição veríamos a outra. Nominalmente era o mesmo material, mas os resultados foram muito diferente."
O físico experimental Han Wu (à esquerda) da Rice University e o físico teórico Lei Chen fizeram parceria com colegas de mais de uma dúzia de instituições de pesquisa na descoberta de um material quântico de mudança de fase que poderia potencialmente ser usado para criar memória não volátil capaz de armazenar bits quânticos de informações ou qubits. Wu e Chen são os principais autores de um estudo revisado por pares na Nature Communications sobre a pesquisa. Crédito:Gustavo Raskosky/Universidade Rice.
Foram necessários mais de dois anos e trabalho colaborativo com dezenas de colegas para decifrar o que estava acontecendo nos experimentos. Os pesquisadores descobriram que algumas das amostras de cristal esfriaram mais rápido do que outras quando foram aquecidas antes dos experimentos.
Ao contrário dos materiais utilizados na maioria das tecnologias de memória de mudança de fase, Yi e colegas descobriram que a liga de ferro-germânio-telúrio não precisava ser derretida e recristalizada para mudar de fase. Em vez disso, eles descobriram que os locais atômicos vazios na rede do cristal, conhecidos como vagas, estavam organizados em padrões ordenados de forma diferente, dependendo da rapidez com que o cristal esfriava. Para mudar de uma fase padronizada para outra, eles mostraram que poderiam simplesmente reaquecer o cristal e resfriá-lo por um período de tempo mais longo ou mais curto.
"Se você quiser alterar a ordem das vagas em um material, isso normalmente acontece em temperaturas muito mais baixas do que as necessárias para derreter tudo", disse Yi.
Ela disse que poucos estudos exploraram como as propriedades topológicas dos materiais quânticos mudam em resposta a mudanças na ordem de vagas.
“Essa é a principal conclusão”, disse ela sobre a ordem alternável de vagas do material. "A ideia de usar a ordem de vagas para controlar a topologia é o importante. Isso ainda não foi realmente explorado. As pessoas geralmente só olham para os materiais de uma perspectiva totalmente estequiométrica, o que significa que tudo está ocupado com um conjunto fixo de simetrias que levam a um tipo de topologia eletrônica. Mudanças na ordem das vagas alteram a simetria da rede. Este trabalho mostra como isso pode mudar a topologia eletrônica também.
O físico teórico de Rice, Qimiao Si, coautor do estudo, disse:"Acho incrível que meus colegas experimentalistas possam organizar uma mudança de simetria cristalina em tempo real. Isso permite uma capacidade de mudança completamente inesperada, mas totalmente acolhedora, para a teoria como bem como procuramos projetar e controlar novas formas de topologia através da cooperação de correlações fortes e simetria de grupo espacial.
Os principais autores do estudo são Han Wu e Lei Chen, ambos da Rice. Co-autores adicionais de Rice incluem Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han e Si. Yi, Dai, Han, Kono e Si são membros da Rice Quantum Initiative e do Rice Center for Quantum Materials.
O estudo foi coautor de pesquisadores da Universidade de Washington, do Laboratório Nacional de Los Alamos, da Universidade Kyung Hee da Coreia do Sul, da Universidade da Pensilvânia, da Universidade de Yale, da Universidade da Califórnia Davis, da Universidade Cornell, da Universidade da Califórnia em Berkeley, da Stanford Laboratório Nacional de Aceleradores do Linear Accelerator Center, Laboratório Nacional de Brookhaven e Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.
