Отображение экзотических квантовых частиц в качестве строительных блоков для квантовых вычислений
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, реализации квантовые компьютеры. 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 использования классических компьютерных битов, которые хранят информацию, закодированную в нулях и единицах, можно было бы разработать «квантовые биты» (или краткости для краткости), которые использовали бы 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 UIC 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.
Для достижения этого разделения и для «изображения» одного майорановского фермиона необходимо создать «топологический сверхпроводник» - систему, которая может проводить токи без каких-либо потерь энергии и в то же время связана с «топологическим узлом». «.
«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, " сказал Морр.
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 ".