Сергей Аксенов: «Наше исследование – это стартовый этап в создании технологий будущего»

Под руководством Сергея Аксенова исследователи ИФ СО РАН получили финансирование Красноярского краевого фонда науки и Российского фонда фундаментальных исследований на реализацию проекта по выявлению свойств и особенностей топологических систем в рамках регионального конкурса проектов фундаментальных научных исследований, выполняемых молодыми учеными.

Результаты исследования опубликованы в международном научном издании первого квартиля Journal of Physics: Condensed Matter.

- Сергей Владимирович, что представляют собой топологические системы, и почему они стали объектом Вашего исследования?

- Под топологическими системами в физике конденсированных сред понимаются структуры, у которых проводящие свойства поверхности и объема принципиально различны. В нашем проекте мы исследуем топологические сверхпроводники и изоляторы. Топологические изоляторы внутри ведут себя как диэлектрики, а снаружи проводят электрический ток подобно металлам. В топологических сверхпроводниках на поверхности возникает проводящее состояние, локализованное не в одной области, а в удаленных друг от друга точках пространства – майрановское состояние.

Совсем недавно существование анизотропных свойств такого рода и топологических поверхностных состояний считалось невозможным, но ученым удалось доказать обратное. В 2016 году ученые Дэвид Таулесс из Университета Вашингтона, Дункан Халдейн из Принстона и Майкл Костерлитц из Брауна получили Нобелевскую премию за открытие топологических переходов и топологических фаз материи.

Изучение материалов, в которых наблюдаются топологические фазовые переходы, является одним из передовых и активно развивающихся научных направлений во всем мире, в частности, потому, что эти системы могут использоваться при разработке кубитов – элементной базы будущих квантовых компьютеров, а также в микроэлектронике нового типа.

- В чем отличие будущих квантовых компьютеров от существующих?

- В отличие от обычных компьютеров квантовые быстрее справляются с математическими вычислениями, например, с разложением чисел на множители или моделированием сложных химических веществ, и в целом они способны выполнять более сложные расчеты.

Ускорение в решение задач дает использование кубитов, которые находятся в суперпозиции квантовых состояний. Кубит, или квантовый бит – это основная ячейка квантового компьютера. В отличие от классических битов, которые принимают значения либо 0, либо 1, квантовые системы находятся одновременно в двух базовых состояниях – в суперпозиции.

Принцип существования кубитов и квантовой физики в целом наглядно иллюстрирует известный мысленный эксперимент австрийского физика-теоретика, одного из создателей квантовой механики Эрвина Шрёдингера. В его эксперименте «некий кот» заперт в стальной камере, в которой находится определенное количество радиоактивного вещества. Вещество может с равной вероятностью распасться и не распасться. Если вещество распадется – кот умрет, если нет – останется жив. Таким образом, пока мы не проведем наблюдение (в случае с квантовым компьютером ­– вычисление) согласно квантовой механике, мы получаем живого и мертвого кота одновременно.

- Почему пока удается разработать лишь прототипы квантового компьютера? Как Ваш проект связан с проблемой его создания?

- На сегодняшний день экспериментальные установки состоят из регистра, в котором не более чем 50 кубитов. Для разработки полноценного квантового компьютера, способного производить актуальные расчеты, необходим регистр, вмещающий от 1000 кубитов.

Однако, чтобы выполнять расчеты с таким большим количеством квантовых систем, все они должны обладать когерентностью, то есть поддерживаться во взаимозависимых суперпозициях – «квантово-когерентных» состояниях, что крайне тяжело обеспечить даже на самых маленьких временных промежутках. Любой шум и даже случайное наблюдение за квантовым битом способны привести к потере данных. Для устойчивой работы им необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды – на уровне 20 милликельвинов, что в 250 раз ниже температуры открытого космоса.

Поэтому исследователи, в том числе наш научный коллектив, направляют все усилия на то, чтобы найти оптимальную элементную базу для изготовления кубитов, и такие условия, в которых они могли бы бесперебойно и с высокой точностью функционировать. В качестве кубитов предлагаются такие системы, как спины ядер, миниатюрные сверхпроводниковые кольца или квантовые точки. Мы же исследуем низкоразмерные системы с топологически защищенными краевыми состояниями.

- На решение каких задач направлено Ваше исследование, поддержанное Красноярским краевым фондом науки и РФФИ? Какие результаты получены?

- В России экспериментальному исследованию топологических сверхпроводников и изоляторов с краевыми нетривиальными состояниями уделяется недостаточно высокое внимание. Наша задача – сформировать теоретическую базу для опытного подтверждения отмеченных явлений в лабораториях края и других регионов России. В данном проекте мы исследуем транспортные свойства топологических систем, учитывая спин-орбитальное взаимодействие электронов, а также влияние электрического и магнитного полей. Это позволяет определить, в каком диапазоне параметров и при каком внешнем воздействии реализуются и остаются устойчивыми майорановские состояния.

В частности, нам было важно установить, какую роль играют кулоновские взаимодействия и особенности геометрии топологических систем со спин-орбитальным взаимодействием в формировании их проводящих свойств.

Ниже представлена часть результатов, полученная в ходе первого года реализации проекта. Нами был исследован квантовый транспорт в интерференционном устройстве, кольце Ааронова-Бома, где сверхпроводящая проволока расположена в центре (схематически показана оранжевыми кружками на рис.1). Мы обнаружили, что индикатором возникновения топологической фазы в этой проволоке являются резонансы Фано в проводимости (или кондактансе) кольца (см. рис.2). Также было установлено, что кулоновские взаимодействия не подавляют этот резонанс. В свою очередь, оценка того, в какой именно области параметров реализуется топологическая фаза в сверхпроводящей проволоке, может быть дана на основе соответствующей фазовой диаграммы (см. рис.3).

Рис.1. Квантовый транспорт в кольце Ааронова-Бома, рукава которого соединены сверхпроводящим мостиком (см. детали: https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab0b8c)

Рис.2. Показано, что интерференционное взаимодействие носителей, которые распространяются по транспортным каналам, соответствующим низкоэнергетическим возбуждениям рукавов кольца Ааронова-Бома и майорановским состояниям соединяющей их квантовой проволоки, приводит к возникновению резонанса Фано в кондактансе кольца, G (когда G=0 и G=1 находятся близко друг к другу). Этот резонанс сохраняется и при учете кулоновских взаимодействий (параметры U и V)

Рис.3. Влияние кулоновских взаимодействий (параметр V₀) на майорановскую поляризацию в модели Китаева. Красный цвет – топологическая фаза с майорановскими состояниями, синий –нетопологическая фаза

- Расскажите, как результаты Вашего исследования могут быть использованы в экономике Красноярского края?

- Топологические низкоразмерные системы интересны не только в решении проблемы создания квантовых компьютеров.

Высокая конкуренция на рынке услуг связи и космических технологий создает постоянную потребность у высокотехнологичных предприятий нашего региона в модернизации выпускаемой продукции: в уменьшении размеров, массы и потребления энергии космических аппаратов, систем связи, телевещания, навигации, геодезии, наземных комплексов управления космическими аппаратами. Однако традиционная полупроводниковая электроника, основанная на полевых транзисторах (СМОS-технология), приближается к пределу применимости, то есть ее возможностей уже недостаточно для миниатюризации существующих технологий.

В топологических изоляторах с краевыми состояниями, которые мы исследуем в нашем проекте, проводящие свойства поверхности сохраняется даже при изменении ее формы или добавлении примесей, что делает их перспективными для разработки электронных устройств нового типа. Новые устройства послужат альтернативой СМОS-технологиям с улучшенными характеристиками и позволят таким предприятиям, как АО «НП «Радиосвязь», АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева», АО «КБ «Искра» развивать свое производство.

- Какую роль Красноярский краевой фонд науки играет в реализации потенциала молодых ученых?

- Поддержка Красноярского краевого фонда науки – это, несомненно, большой вклад в профессиональное развитие молодого ученого.

Благодаря тому, что Краевой фонд науки тесно взаимодействует с РФФИ, научная молодежь Красноярского края получает достойную финансовую поддержку. Гранты помогают проводить более масштабные исследования, публиковать статьи в ведущих журналах мира. С финансированием проекта появляется возможность участвовать во всероссийских и зарубежных мероприятиях и вместе с тем представлять наши результаты на международном уровне, получать критику ведущих мировых экспертов и обмениваться опытом с коллегами со всей России и других стран.

Беседу вела Элина Файзуллина, главный специалист по связям с общественностью Красноярского краевого фонда науки.

Фото:краевого фонда науки