"Хештег" из нанопроволок может доказать существование квазичастиц

Международная команда исследователей сконструировала устройство, состоящее из нитевидных нанопроволок, которое может помочь наконец решить вопрос о существовании квазичастиц, известных как частицы Майорана.

Как только эти частицы были впервые обнаружены, они стали основой квантового бита — или кубита, — способного обрабатывать информацию в квантовом компьютере с улучшенной стабильностью.

Так, в 1937 году итальянский физик Этторе Майорана предложил теорию существования квазичастицы, которая сейчас носит его имя. С этого момента было предпринято много попыток доказать ее существование, но Майорана так и не смог это сделать.

Все изменилось в 2012 году, когда исследователи в делфтском техническом университете (TU Delft) в Нидерландах обнаружили возможное доказательство существования частиц Майорана, направив электроны на полупроводниковую нанопроволоку, находящуюся рядом со сверхпроводимым материалом.

Начиная с делфтского исследования 2012 года было предпринято множество экспериментов, которые также подтверждали существование этих частиц. Однако эти эксперименты все же оставляли возможность альтернативного объяснения полученных результатов. Хао Чжан, постдок в TU, говорит, что серьезных доказательств касательно существования квазичастиц так и не было предоставлено.

Однако ученым стало известно, что такое доказательство могло бы быть получено, если бы при изменении мест частиц произошел обмен данными между ними. Это явление указывает на изменения в квантовомеханической системе, при котором две неразличимые частицы меняются местами.

Такое перемещение частиц вдоль нанопроволоки также называют “плетением” (от англ. "braiding"). В итоге оплётка может формировать логические элементы топологических квантовых компьютеров. Однако никто не подавал надежд на возможность такого метода, потому что при попытке столкновения частиц они могли бы взаимоуничтожиться.

Если бы было бы возможно искусственно создавать "плетение" из таких квазичастиц, как предполагали исследователи, то это привело бы к более стабильному методу квантовых вычислений, потому что система не была бы восприимчива к внешним влияниям, таким как, например, тепловые флуктуации.

В исследовании, описанном в журнале Nature, исследователи из DTU, Технического университета Эйндховена в Нидерландах и калифорнийского университета Санта-Барбары создали устройство из нанопроволок, похожее по форме на хештег. Это обеспечило четырехстороннее пересечение, в котором две частицы Майорана могли обменяться местами в расположенной на нанопроволоке структуре, не вступая в контакт друг с другом и не проаннигилировав.

“Эти эксперименты с "плетением" могут дать результаты, которые уникальны и свойственны только для частиц Майорана и не могут иметь альтернативного объяснения”, – говорит Чжан. “То есть это можно будет рассматривать как неопровержимые доказательства”.

"Плетение" способно не только предоставить окончательные доказательства существования частиц Майорана, но и, возможно, доказательства целесообразности топологических квантовых вычислений, основные принципы работы которых основаны как раз на явлении "плетения". Другими словами, "плетение" не только доказало бы существование частиц Майорана, но и предоставило бы механизм, с помощью которого они могли бы служить основой для кубита и, как следствие, топологического квантового компьютера.

Это означает, что квантовая информация (кубит) может храниться и контролироваться посредством перемены мест частиц Майорана. «Процесс плетения должен быть устойчив к ошибкам, поскольку результат зависит только от порядка операций», – добавляет Чжан.

Устойчивость к ошибкам зависит от способности частиц Майорана поддерживать состояние суперпозиции. Так, неспаренные электроны некоторых ионов могут принимать любое из двух спиновых состояний, верхнее или нижнее или, с точки зрения дискретной логики, 0 или 1. Когда эти ионы получают импульс СВЧ-излучения, неспаренный электрон одновременно может принимать как состояние 0, так и 1. В этом и заключается понятие суперпозиции.

До сих можно было сохранять состояние суперпозиции только в течение очень короткого периода времени, поскольку спиновые состояния соседних атомов быстро нарушали суперпозицию, что делало жизнь кубита слишком короткой для выполнения требуемого количества квантовых вычислений.

«Это является самым большим преимуществом Майоранского кубита по сравнению с другими кубитами», - говорит Чжан. «Майоранский кубит должен иметь более длительный период когерентности [устойчивой к ошибкам] из-за его топологической защиты».

Чжан говорит, что они уже работают над разработкой кубита на основе частиц Майорана, который будет связан с изготовлением микроволновой импульсной цепи.

Источник: spectrum.ieee.org

Комментарии: