Az Indiai Tudományos Intézet (IISc) és a japán Nemzeti Anyagtudományi Intézet kutatói grafénban olyan egzotikus állapotot azonosítottak, amelyben az elektronok elveszítik egyéni részecsketermészetüket, és kollektív, szinte súrlódásmentes folyadékként áramlanak. Ezt az állapotot Dirac-fluidumnak hívják. A felfedezés közvetlen következménye, hogy a hővezetés és az elektromos vezetés – amelyek a Wiedemann-Franz törvény szerint szorosan összekapcsolt mennyiségek – a grafénban drámaian szétválnak egymástól.

Mi köze ennek a kvantumszámítástechnikához?

A modern kvantumszámítógépek egyik legnagyobb ellensége a hő. A kvantumbitek (qubitek) rendkívül érzékenyek a termikus zajra. Apró hőingadozás is elegendő ahhoz, hogy tönkretegye azt a kvantumkoherenciát, amely a számítás alapja. Ezért kell a legtöbb kvantumszámítógépet abszolút nulla közelébe hűteni, ami hatalmas energiaigényt és rendkívül bonyolult hűtési infrastruktúrát jelent.

A Dirac-fluidum állapotban az elektronok elektromos áramot szállítanak anélkül, hogy arányos mennyiségű hőt termelnének. Ha ez az elv kiterjedtebb rendszerekbe is beépíthető, elméletileg lehetővé válhat olyan kvantumáramkörök tervezése, amelyek kevésbé érzékenyek a termikus zajra, és amelyek kevesebb külső hűtést igényelnek.

Kvantumszenzorok

A forrásban közvetlenül megerősített lehetőség a kvantumszenzorok területe. A Dirac-fluidum rendkívül érzékennyé teszi a grafént a legfinomabb külső perturbációkra – gyenge elektromos jelekre és alig mérhető mágneses terekre egyaránt. Egy ilyen szenzor, beépítve egy kvantumszámítógép vezérlőrendszerébe, pontosabb visszajelzést adhat a qubitek állapotáról, ami az egyik kritikus szűk keresztmetszet a jelenlegi rendszerekben.

Spekulatívabb, de izgalmas irányok

A kutatók azt is kimutatták, hogy a Dirac-fluidum viselkedése analóg módon modellezi a kvantumfizika olyan területeit, amelyek a kvantumtitkosítás és a biztonságos adattovábbítás szempontjából is relevánsak. A súrlódásmentes elektronáramlás elvben alkalmas lehet veszteségmentes jelátvitelre – ami a kvantumhálózatok egyik alapkövetelménye. Ezek az összefüggések egyelőre elméleti szinten állnak, de a grafén fizikája az elmúlt két évtizedben rendszeresen igazolta, hogy ami ma elméleti, holnap mérnöki realitás lesz.

A kvantumszámítástechnika fejlődésének jelenlegi fázisában az anyagtudományi alapkutatás és a mérnöki alkalmazás közötti távolság gyorsan csökken.

Forrás

Nature Physics – Universality in quantum critical flow of charge and heat in ultraclean graphene

Science Daily – Graphene just defied a fundamental law of physics

ASM International – Graphene just defied a fundamental law of physics