Новый теоретический механизм упрощает экспериментальное обнаружение ключевых элементов топологического квантового компьютера
Ученые из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ с коллегами из Центра квантовых метаматериалов МИЭМ ВШЭ, МИФИ и университета Сорбонны в Париже доказали, что немагнитные примеси в сверхпроводниках могут существенно облегчить обнаружение майорановских нулевых мод — экзотических квантовых состояний, рассматриваемых как основа для отказоустойчивых квантовых вычислений.
Главной сложностью в их поиске было существование «рядом» обычных вихревых состояний, незначительно отличающихся по энергии. С помощью компьютерного моделирования ученые установили, что внесение примеси может существенно увеличивать энергетический зазор, позволяя уверенно отличать майорановские квазичастицы, чья энергия остается нулевой, от «соседей». Результаты исследования опубликованы в журнале Research группы Science.
Майорановские нулевые моды (Majorana Zero Modes, MZM) представляют собой уникальный тип квазичастиц, привлекающих интерес ученых в контексте создания кубитов для квантовых вычислений. Они возникают как топологически защищенное решение уравнений микроскопической теории сверхпроводимости, описывающих возбуждения в сверхпроводниках. Обычно такие возбуждения образуют пары частица—античастица (как, например, электрон—позитрон), однако вблизи ядер вихрей, где сверхпроводящее состояние граничит с нормальным, возможно формирование квазичастицы, которая является античастицей самой себе.
Из требования, что частица и античастица должны иметь противоположные энергии, следует, что энергия такого состояния может быть только нулевой. Именно это состояние и называют майорановской нулевой модой. Поскольку такая квазичастица «едина в двух лицах», закодированная в ней информация может быть нелокально распределена между двумя точками системы (например, между вихревым ядром и границей образца). Эта нелокальность, связанная с нетривиальной топологией решения, обеспечивает естественную защиту от локальных возмущений, что делает майорановские нулевые моды перспективной основой для создания устойчивых кубитов в квантовых вычислениях.
Экспериментальное обнаружение майорановских нулевых мод — крайне сложная задача. Причина — ничтожно малый энергетический зазор, отделяющий MZM от обычных состояний квазичастиц в центре магнитного вихря (состояния Кароли—де Жена—Матрикона). Величина этого зазора пропорциональна отношению Δ/EF, где Δ — сверхпроводящая щель (минимальная энергия разрушения куперовской пары), а EF — энергия Ферми (максимальная кинетическая энергия электронов при абсолютном нуле). В большинстве сверхпроводников EF значительно превышает Δ, из-за чего энергии состояний MZM практически неотличимы от соседних уровней в спектре.
Чтобы обойти это ограничение, исследователи обратились к материалам с малой EF и большой Δ, например к железосодержащим сверхпроводникам. Однако у них обнаружился серьезный недостаток: наличие магнитных примесей в виде атомов железа. Такие дефекты эффективно разрушают куперовские пары, подавляя сверхпроводимость и искажая спектры низкоэнергетических состояний. Поэтому для надежных экспериментов требуются кристаллы исключительно высокой чистоты.
Согласно ранним исследованиям, немагнитные примеси также должны мешать обнаружению майорановских мод. Считалось, что хотя энергия самой моды всегда остается нулевой, другие низкоэнергетические состояния придвигаются ближе к ней, и из-за этого ее обнаружение затрудняется.
Однако, вопреки ожиданиям, недавние эксперименты на гибридных системах (например, Pb/Co/Si) показали, что энергетические пики в спектре, похожие на майорановские моды, не только сохраняются, но и четко выделяются на фоне других состояний. Эти результаты вдохновили исследователей из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ совместно с коллегами из ВШЭ, МИФИ и университета Сорбонны провести детальные расчеты влияния дефектов на майорановские моды.
Компьютерное моделирование показало, что если размер примеси сопоставим с размером самого вихря, она работает как ловушка. Вихрь «прилипает» к ней, даже если примесь отталкивающая — этот квантовый эффект позволяет надежно его зафиксировать. Причем оказалось, что такие специально созданные немагнитные примеси расширяют щель в спектре квазичастичных состояний в центре вихря, делая майорановскую моду четко различимой в спектре, как пик в локальной плотности состояний при нулевой энергии.
«Мы показали, что беспорядок не всегда вреден,— прокомментировал Вячеслав Неверов, первый автор статьи, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.— Немагнитная примесь может сыграть конструктивную роль: она отталкивает обычные вихревые состояния, но не влияет на топологически защищенную майорановскую моду. В результате сигнал становится значительно чище и доступнее для эксперимента».
В отличие от традиционного подхода, требующего материалов с необычно большим отношением Δ/EF, новый механизм открывает путь к использованию обычных сверхпроводников с s-волновым спариванием с искусственно созданными центрами пиннинга вихрей.
«Наш результат снимает одно из ключевых ограничений в поиске майорановских состояний,— рассказал Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, д. ф.-м. н.— Вместо экзотических материалов можно использовать хорошо изученные сверхпроводники, добавляя контролируемые дефекты. Это делает экспериментальную реализацию существенно более реалистичной».
Благодаря своей топологической защите и нелокальности майорановские моды, локализованные в таких «привязанных» к примесям вихрях, сохраняют устойчивость к локальным возмущениям — ключевое свойство, необходимое для создания кубитов. Предложенный механизм позволяет использовать для этих целей не экзотические сверхпроводники, а хорошо изученные материалы с s-волновым спариванием с контролируемыми дефектами. Это открывает прямой путь к интеграции майорановских кубитов в существующую полупроводниковую и сверхпроводниковую технологию, делая шаг от теоретической физики к реальным квантовым вычислениям.
Научная статья: 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
Кроме ученых из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Высшей школы экономики (НИУ ВШЭ), Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и Высшей школы индустриальной физики и химии Парижа (ESPCI Paris Sorbonne University).
Подробнее: О Центре перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ (ЦМН МФТИ)
Центр перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ (ЦМН) создан в 2021 году по инициативе выпускника МФТИ, лауреата Нобелевской премии по физике сэра Андрея Гейма. По рекомендации Андрея Гейма, Центр возглавил ведущий русско-французский ученый в области мезоскопической физики д. ф.-м. н. Василий Столяров. Основной задачей ЦМН является исследование когерентных электронных свойств новых материалов, низкоразмерных самоорганизованных систем, искусственных мезоскопических структур и интерфейсов, гибридных систем с принципиально разными электронными параметрами порядка, топологических эффектов и др. С 2023 года центр, совместно со ВНИИА им. Н. Л. Духова, готовит студентов по направлению «фундаментальная и прикладная физика микро- и наноструктур».
ЦМН МФТИ стоит у истоков создания открытого в 2025 году Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники», который занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Подробнее: Научный Центр Мирового Уровня «Центр перспективной микроэлектроники»
Приоритетами работы НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного Научного центра мирового уровня. Его участниками совместно с МФТИ стали ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступили такие техногиганты и ключевые промышленные компании как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
