Отображение экзотических квантовых частиц в качестве строительных блоков для квантовых вычислений

Исследователи представили себе экзотическую квантовую частицу, называемую майорановским фермионом, которая может быть использована в качестве строительного блока для будущих кубитов и, в конечном итоге, для реализации квантовых компьютеров.

Исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго в сотрудничестве со своими коллегами из Университета Гамбурга в Германии изобразили экзотическую квантовую частицу — называемую майорановским фермионом — которая может использоваться в качестве строительного блока для будущих кубитов и, в конечном итоге, реализация квантовых компьютеров. Их результаты сообщаются в журнале Science Advances.

Более 50 лет назад Гордон Мур, бывший генеральный директор Intel, заметил, что число транзисторов в компьютерном чипе удваивается каждые 18–24 месяца. Эта тенденция, известная сейчас как закон Мура, продолжается и по сей день, что привело к появлению транзисторов размером всего несколько нанометров — одна миллиардная часть метра. В этом масштабе классические законы физики, которые составляют основу, на которой работают наши современные компьютеры, перестают функционировать, и они заменяются законами квантовой механики. Поэтому сделать транзисторы еще меньше, что использовалось в прошлом для увеличения скорости вычислений и хранения данных, больше невозможно.

Если только исследователи не смогут понять, как использовать квантовую механику в качестве нового фундамента для компьютеров следующего поколения.

Это была основная идея, сформулированная в 1982 году Ричардом Фейнманом, одним из самых влиятельных физиков-теоретиков 20-го века. Вместо того, чтобы использовать классические компьютерные биты, которые хранят информацию, закодированную в нулях и единицах, можно было бы разработать «квантовые биты» — или кубиты для краткости — которые бы использовали законы квантовой механики для хранения любого числа от 0 до 1, тем самым экспоненциально увеличивая скорость вычислений и приводит к рождению квантовых компьютеров.

«Обычно, когда вы бросаете свой мобильный телефон, он не стирает информацию на вашем телефоне», — сказал Дирк Морр, профессор физики в МСЖД и соответствующий автор статьи. «Это потому, что микросхемы, в которых информация хранится в битах единиц и нулей, достаточно стабильны. Требуется много возиться, чтобы превратить единицу в ноль и наоборот. Однако в квантовых компьютерах, потому что существует бесконечное число из возможных состояний, в которых будет находиться кубит, информация может потеряться гораздо легче ».

Чтобы сформировать более надежные и надежные кубиты, исследователи обратились к майорановским фермионам — квантовым частицам, которые встречаются только парами.

«Нам нужен только один майорановский фермион на кубит, и поэтому мы должны отделить их друг от друга», — сказал Морр.

Создавая кубиты из пары майорановских фермионов, информация может быть надежно закодирована, пока майораны остаются достаточно далеко друг от друга.

Чтобы достичь такого разделения и «отобразить» один майорановский фермион, необходимо создать «топологический сверхпроводник» — систему, которая может проводить токи без каких-либо потерь энергии и в то же время связана с «топологическим» узел."

«Этот топологический узел похож на дыру в пончике: вы можете деформировать пончик в кофейную кружку, не теряя дыру, но если вы хотите уничтожить дыру, вы должны сделать что-то довольно драматичное, например съесть пончик,«Морр сказал.

Чтобы построить топологические сверхпроводники, коллеги Морра из Гамбургского университета разместили остров из атомов магнитного железа диаметром всего в десятки нанометров на поверхности рения, сверхпроводника. Группа Морра предсказала, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа можно будет изобразить фермион Майорана в виде яркой линии вдоль края острова атомов железа. И это именно то, что наблюдала экспериментальная группа.

«Возможность визуализировать эти экзотические квантовые частицы делает нас еще на один шаг ближе к созданию надежных кубитов и, в конечном счете, квантовых компьютеров», — сказал Морр. «Следующим шагом будет выяснить, как мы можем квантово сконструировать эти майорановские кубиты на квантовых чипах и манипулировать ими, чтобы получить экспоненциальный рост наших вычислительных мощностей. Это позволит нам решать многие проблемы, с которыми мы сталкиваемся сегодня, от борьбы с глобальным потеплением и прогнозирование землетрясений для уменьшения пробок на дорогах через автомобили без водителя и создания более надежной энергосистемы».