Исследователи улучшили поиск майорановских мод в сверхпроводниках

© iStock

Международная команда исследователей с участием физиков МИЭМ ВШЭ показала, что немагнитные примеси помогают точнее выявлять майорановские моды — квантовые состояния, которые считаются перспективными для квантовых компьютеров. Они выяснили, что такие примеси сдвигают уровни, которые обычно маскируют майорановский сигнал, а саму моду почти не трогают, благодаря чему ее пик в спектре становится отчетливее. Исследование опубликовано в журнале Research.

Майорановские моды — редкие квантовые состояния, которые могут появляться в некоторых сверхпроводниках. В частности, они возникают в магнитных вихрях — маленьких областях внутри материала, где сосредоточено магнитное поле. При этом майорановские моды очень сложно разрушить случайными помехами или несовершенствами материала, поэтому их рассматривают как основу для устойчивых кубитов — элементов квантового компьютера, в которых закодирована информация. 

Проблема в том, что увидеть майорановскую моду в эксперименте трудно: рядом с ней возникают и другие квантовые состояния, похожие по энергии, поэтому сигналы легко перепутать. Раньше с этой проблемой пытались справиться, выбирая сверхпроводники, в которых меньше примесей и лишних состояний и майорановский сигнал должен быть заметнее. Но на практике такие системы трудно получить и стабильно воспроизводить, а результаты измерений часто остаются неоднозначными.

Исследовательская группа из МФТИ, МИЭМ ВШЭ, МИФИ и парижской Сорбонны показали, что немагнитная примесь в сверхпроводниках может работать как полезный элемент. С помощью компьютерного моделирования они изучили действие дефекта, который создает локальный энергетический барьер и фиксирует вихрь в определенном месте. Оказалось, что обычные состояния внутри вихря чувствительны к такому барьеру и смещаются по энергии. А энергия майорановской моды при этом не меняется.

В результате расстояние по энергии между майорановской модой и всеми остальными состояниями увеличивается. Для эксперимента это означает более четкий сигнал: в спектре появляется выраженный нулевой пик, который трудно перепутать с чем-то еще. Важно, что для такого метода не нужны экзотические материалы: эффект возникает и в системах на базе распространенных сверхпроводников.

Сравнение характеристик системы без примеси и с локальной примесью в центре вихря. Распределение волновой функции низкоэнергетического связанного состояния (B/F) в нетопологическом режиме: в системе без примеси состояние сильнее привязано к ядру вихря, а с примесью его профиль перестраивается. Распределение модуля волновой функции майорановской нулевой моды в топологическом режиме (C/G): примесь меняет пространственный профиль, но состояние остается связанным с областью вихря. Усредненная локальная плотность состояний в центре вихря для топологического и обычного режимов (D/H): без примеси низкоэнергетические сигналы сильно перекрываются, а при наличии примеси различия становятся заметнее.

© Vyacheslav D. Neverov, Tairzhan Karabassov, Andrey V. Krasavin, Dimitri Roditchev, Vasily S. Stolyarov, Alexei Vagov. Revealing Majorana Zero Modes in Vortex Cores via Nonmagnetic Impurities. Research. 2026;9:1087.DOI:10.34133/research.1087

Принципиально, что речь идет именно о немагнитных примесях. Магнитные дефекты разрушают сверхпроводимость и мешают измерениям, а немагнитные, наоборот, можно превратить в управляемый разделитель: они отталкивают фоновые состояния от нуля, не трогая майорановскую моду.

Алексей Вагов

«Наша работа предлагает более практичный способ получать и обнаруживать моды Майораны, — поясняет автор исследования, директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ ВШЭ Алексей Вагов. — Вместо охоты за уникальными материалами мы делаем ставку на управляемые дефекты в более доступных системах. И надеемся, что это ускорит прогресс в создании квантового компьютера на топологических майорановских состояниях».

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 075-15-2025-608) и Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.