В статье, опубликованной в журнале Nature, Крис Палмстром, профессор электротехники, компьютерной инженерии и материалов UCSB, и его коллеги описывают метод, с помощью которого нанопроволоки в форме «хэштега» могут быть уговорены для генерации квазичастиц Майорана. Эти квазичастицы представляют собой экзотические состояния, которые, если их реализовать, могут быть использованы для кодирования информации с очень небольшим риском декогеренции — одной из самых больших проблем квантовых вычислений — и, следовательно, малой потребностью в квантовой коррекции ошибок.«Это был действительно хороший шаг к тому, чтобы все стало реальностью», — сказал Палмстром.
В 2012 году голландские ученые Лео Коувенховен и Эрик Баккерс (также авторы статьи) из Делфтского и Эйндховенского технологических университетов в Нидерландах сообщили о первом наблюдении состояний, соответствующих этим квазичастицам. В то время, однако, им не хватило окончательных доказательств того, что на самом деле это были Майораны, а не другие явления.
Под эгидой исследовательской станции Q корпорации Microsoft со штаб-квартирой в кампусе UCSB эта группа ученых является частью более масштабных международных усилий по созданию первого топологического квантового компьютера.Квазичастицы названы в честь итальянского физика Этторе Майорана, который предсказал их существование в 1937 году, когда зародилась квантовая механика. У них есть уникальная особенность — они сами по себе античастицы — они могут аннигилировать друг друга. Они также обладают качеством неабелевости, что приводит к способности «запоминать» их относительное положение с течением времени — свойство, которое делает их центральными в топологических квантовых вычислениях.
«Если вы физически перемещаете эти майораны друг вокруг друга, они запомнят, перемещались ли они по часовой стрелке или против часовой стрелки», — сказал Михир Пендхаркар, аспирант-исследователь в Palmstrom Group. Эта операция перемещения одного вокруг другого, продолжил он, называется «плетением».
Теоретически вычисления могут быть выполнены путем плетения майоранов и последующего их сплавления, высвобождая пуф энергии — «цифровой максимум» — или поглощая энергию — «цифровой минимум». Информация содержится и обрабатывается путем обмена позициями, а результат делится между двумя или более майоранами (а не самими квазичастицами), топологическое свойство, которое защищает информацию от возмущений окружающей среды (шума), которые могут повлиять на отдельные майораны. .Однако, прежде чем можно будет выполнить какое-либо плетение, сначала должны быть сгенерированы эти хрупкие и мимолетные квазичастицы.
В рамках этого международного сотрудничества полупроводниковые пластины начали свой путь с создания узора из капель золота в Делфтском технологическом университете. Затем в Технологическом университете Эйндховена были выращены полупроводниковые нанопроволоки из антимонида индия (InSb), которые выступали в качестве зародышей золотых капель. Затем нанопровода путешествовали по всему миру в Санта-Барбару, где исследователи Palmstrom Group тщательно очистили и частично покрыли их тонкой оболочкой из сверхпроводящего алюминия.
Нанопроволоки были возвращены в Нидерланды для электрических измерений при низких температурах.«Было предсказано, что Майорана возникает между сверхпроводником и полупроводниковым проводом», — пояснил Палмстром.
Некоторые из пересекающихся проводов в бесконечно малом устройстве в форме хэштега сплавлены вместе, в то время как другие почти не пропускают друг друга, оставляя очень точный зазор. Эта продуманная конструкция, по словам исследователей, позволяет некоторым участкам нанопроволоки обходиться без алюминиевого покрытия, создавая идеальные условия для измерения Майорана.«То, что вы должны увидеть, — это состояние с нулевой энергией», — сказал Пендхаркар.
Этот «пик с нулевым смещением» согласуется с математикой, которая приводит к тому, что частица является собственной античастицей, и впервые наблюдалась в 2012 году. «В 2012 году они показали крошечный всплеск с нулевым смещением на море фона», — сказал Пендхаркар. С новым подходом, продолжил он, «теперь море пропало», который не только проясняет результат 2012 года и приближает исследователей на шаг ближе к окончательному доказательству состояний Майораны, но и закладывает более прочную основу для их получения. квазичастицы.Майораны из-за их особой невосприимчивости к ошибкам могут быть использованы для создания идеального кубита (единицы квантовой информации) для топологических квантовых компьютеров и, по мнению исследователей, могут привести к созданию более практичного квантового компьютера, поскольку его отказоустойчивость будет требуется меньше кубитов для исправления ошибок.«Все квантовые компьютеры будут работать при очень низких температурах, — сказал Палмстром, — потому что« квант »- это очень малая разница в энергии».
Таким образом, по словам исследователей, охлаждение меньшего количества отказоустойчивых кубитов в квантовой схеме было бы проще и занимало меньше места, чем охлаждение большего количества подверженных ошибкам кубитов, а также кубитов, необходимых для защиты от ошибок.Последним шагом к убедительному доказательству Майорана станет плетение кос, эксперимент, который исследователи надеются провести в ближайшем будущем.
С этой целью ученые продолжают строить на этом фундаменте конструкции, которые могут позволить и измерить результат плетения.«У нас было финансирование и опыт людей, которые являются экспертами в области измерений и экспертами в области теории, — сказал Пендхаркар, — и это было отличное сотрудничество, которое привело нас к этому. уровень."