Группа исследователей из Южнокорейского института науки и технологий (UNIST) и Университета Ёнсе впервые зафиксировала уникальное поведение материи, которое может стать основой для квантовых компьютеров, неуязвимых к ошибкам.

Речь идёт о состоянии, известном как «квантовая спиновая жидкость Китаева» — его удалось обнаружить в плёнках оксида кобальта толщиной 20 нанометров с помощью инновационного метода на основе света. Результаты не только подтверждают теоретические предсказания, но и дают инструмент для поиска материалов, способных совершить качественный скачок в вычислениях.

Если представить, что элементарные магниты внутри материала — это стрелки компаса, то в обычных условиях при охлаждении они выстраиваются строго. Однако в квантовой спиновой жидкости Китаева эти «стрелки» даже при температуре -257°C не замирают, а продолжают беспорядочно колебаться. Такое состояние важно для создания кубитов — элементов квантовых компьютеров, которые сохраняют стабильность вопреки внешним помехам.

До сих пор обнаружить эти хаотичные колебания в ультратонких материалах было почти невозможно: традиционные методы, использующие нейтронное излучение, теряли чувствительность при работе с плёнками толщиной менее 50 нм.

Команда профессоров Чангхи Сона (UNIST), Чжэ Хуна Кима (Ёнсе) и Чон-У Ю (UNIST) нашла решение, заменив нейтроны светом. Освещая плёнку, учёные наблюдали за экситонами — краткоживущими частицами, которые возникают при «столкновении» света с электронами и мгновенно реагируют на малейшие изменения в магнитной структуре материала.

Ключевой результат эксперимента — магнитные колебания в оксиде кобальта сохранялись даже при температурах выше -257°C, что доказывает их квантовую природу, а не случайные «всплески» из-за нагрева.

Последующие расчёты подтвердили, что в материале доминируют редкие взаимодействия, предсказанные моделью физика Алексея Китаева — именно они делают систему устойчивой к внешним воздействиям. «Раньше мы искали такие материалы наугад, как в тёмной комнате, — объясняет профессор Сон. — Теперь у нас есть метод, который не только обнаруживает квантовую жидкость, но и позволяет проектировать материалы с заданными свойствами, как инженеры собирают микросхемы».

Перспективы открытия трудно переоценить. Тонкие плёнки легко интегрировать в существующие электронные устройства, а световой анализ сокращает время проверки материалов с месяцев до дней. По оценкам авторов, в ближайшие 3–5 лет это ускорит создание компактных квантовых процессоров, способных решать задачи, недоступные даже суперкомпьютерам — от точного моделирования молекул для новых лекарств до оптимизации глобальных энергосистем.