Космические корабли и квантовые компьютеры: одно открытие может изменить все

Представьте себе материал, который может изменить будущее квантовых вычислений и освоения космоса. Ученые из Калифорнийского университета в Ирвайне (UCI) сделали именно это, открыв новое состояние материи.

Новое состояние материи: прорыв в физике

Исследователи из UCI создали материал, который, по их словам, может перевернуть представления о квантовых вычислениях и космических технологиях. Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, описывает ранее не наблюдавшуюся квантовую фазу, в которой электроны и их "дырки” объединяются, образуя экзотические состояния — экситоны.

"Это как если бы вода, помимо жидкого, твердого и газообразного состояния, обладала четвертой, неизвестной ранее формой”, — объясняет профессор Луис А. Хауреги, ведущий автор исследования.

Уникальность этого явления заключается в том, что частицы вращаются в одном направлении, формируя необычную структуру. Если бы такой материал можно было удержать в руках, он испускал бы яркий высокочастотный свет.

Как было сделано открытие?

Материал, ответственный за этот феномен, — пентателлурид гафния — был разработан Цзинью Лю, постдокторантом лаборатории Хауреги. Чтобы подтвердить существование нового квантового состояния, команда подвергла соединение воздействию сверхсильных магнитных полей — до 70 тесла, что в 700 раз мощнее магнита холодильника. Эксперименты проводились в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL) в Нью-Мексико.

Ключом к открытию стало неожиданное поведение материала: при приложении магнитного поля его способность проводить электричество резко падала.

"Этот спад указал на переход в новое квантовое состояние”, — поясняет Хауреги.

Будущее квантовых вычислений и космических технологий

По словам физика, данное явление предполагает, что информацию можно передавать не через электрический заряд, как в современных устройствах, а через спин частиц. Такой метод значительно снизит энергопотребление и откроет путь к спинтронной электронике и более стабильным квантовым устройствам.

Но значение открытия выходит за рамки энергоэффективности. В отличие от традиционных полупроводников, этот материал устойчив к радиации, что критически важно для длительных космических миссий.

"Если мы хотим, чтобы компьютеры работали на Марсе или в межзвездных путешествиях, нам нужны компоненты, которые не выйдут из строя после многолетнего воздействия космических лучей”, — подчеркивает Хауреги.

Что это значит для нас?

Такие компании, как SpaceX, планирующие отправку людей на Марс, могут воспользоваться этой технологией, хотя ученый признает, что пока рано прогнозировать все возможные применения.

Создание и изучение пентателлурида гафния потребовало междисциплинарных усилий. Помимо Цзинью Лю, в работе участвовали аспиранты Роберт Уэлсер и Тимоти МакСорли, а также университетский исследователь Триет Хо.

Теоретическая часть исследования была выполнена группой LANL. Эксперименты с экстремальными магнитными полями поддержали Лорел Уинтер, Майкл Т. Петтс (LANL) и Дэвид Граф из Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде.

Хотя до коммерческого применения материала еще далеко, открытие стало важной вехой в физике материалов.

"Мы не знаем, какие двери это откроет, но это новая территория, а это всегда захватывающе”, — отмечает Хауреги.

Пока космическая индустрия и разработчики квантовых компьютеров внимательно следят за развитием событий, пентателлурид гафния становится кандидатом на решение двух главных технологических вызовов столетия: энергоэффективности и выживания в космосе.

Интересные факты:

• Квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для выполнения вычислений, что позволяет им решать сложные задачи, недоступные для классических компьютеров.
• Спинтроника — это направление электроники, которое использует спин электронов для передачи и обработки информации.
• Сферы Дайсона — это гипотетические мегаструктуры, которые могут быть построены вокруг звезды для сбора ее энергии.
• Космические лучи — это высокоэнергетические частицы, приходящие из космоса, которые могут повреждать электронные компоненты.
• Пентателлурид гафния — это соединение гафния и теллура.