Таинственные «тяжелые» электроны станут будущим квантовых вычислений
Физики из Университета Осаки впервые зафиксировали поведение так называемых «тяжелых фермионов» — электронов с аномально увеличенной эффективной массой. Оказалось, что такие электроны находятся в состоянии квантовой запутанности, а динамика их связей регулируется Планковским временем — фундаментальной единицей времени в квантовой теории.
В обычных условиях электроны имеют крошечную массу и свободно движутся по материалу. Но в некоторых веществах происходит удивительное явление: электроны проводимости начинают сильно взаимодействовать с локализованными магнитными электронами, из-за чего их эффективная масса увеличивается в сотни и даже тысячи раз. Такие «потяжелевшие» электроны ведут себя совершенно иначе, чем их обычные собратья, и могут демонстрировать экзотические свойства, включая необычную сверхпроводимость.
Команда ученых под руководством доктора Син-ичи Кимуры изучала соединение церия, родия и олова (CeRhSn) — материал с особой кристаллической структурой, напоминающей японский узор кагоме. Необычная геометрия кристаллической решетки создает эффект «фрустрации» — ситуацию, когда система не может найти единственное стабильное состояние, что приводит к необычным квантовым эффектам.
Проводя точные измерения того, как материал отражает свет, ученые обнаружили, что тяжелые электроны в CeRhSn демонстрируют аномальное поведение вплоть до комнатной температуры. Более того, время жизни этих электронов приближается к так называемому планковскому пределу — минимально возможному времени, за которое может произойти квантовый процесс.
Квантовая запутанность — явление, при котором частицы остаются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними — является ключевым ресурсом для квантовых вычислений. До сих пор создание и поддержание запутанных состояний требовало сложных экспериментальных установок и экстремально низких температур. Открытие японских ученых показывает, что в твердых материалах такие состояния могут существовать при гораздо более естественных условиях.
Особенно интригующим является то, что поведение всей системы можно описать общей математической функцией. Это указывает на глубокую взаимосвязь между всеми тяжелыми электронами в материале — они действуют не как отдельные частицы, а как единая квантовая система.
Планковский временной предел, который наблюдали авторы работы, предоставляет важную информацию для проектирования будущих квантовых устройств. Понимание того, как фундаментальные ограничения времени влияют на квантовую запутанность, может помочь инженерам создавать более эффективные и стабильные квантовые компьютеры.
Открытие японских ученых приближает нас к разработке и внедрению в повседневную жизнь квантовых технологияй будущего. Возможность контролировать и манипулировать квантовой запутанностью в твердотельных материалах может поможет создать принципиально новые архитектуры квантовых компьютеров, более практичные и масштабируемые, чем существующие устройства.
