Физики из Университета Аалто разработали новый ультратонкий материал, с помощью которого они воспроизвели неуловимые квантовые состояния — фермионы Майораны. Считается, что эти гипотетические частицы могут стать основой квантового компьютера с топологическими кубитами. Главной особенностью этих частиц является то, что они не обнаружены в природе. Все созданные до сих пор фермионы Майораны — рукотворны, и у каждого исследователя свой подход.
Одномерный майорановский фермион с нулевой энергией на границе двух двумерных материалов. Источник изображения: Aalto University
Как известно, в основе квантового компьютера лежит кубит, который используется для высокоскоростных вычислений. Наиболее широко представлены криогенные кубиты, когда система охлаждается до близких к абсолютному нулю температур. Охлаждение и экранирование снижают вероятность взаимодействия кубитов с внешними «раздражителями» — тепловым, электромагнитным и другими шумами, которые вносят ошибки в квантовые вычисления. Но даже суровая изоляция не позволяет кубитам долго (секунды) находиться в согласованном (когерентном) состоянии, чтобы произвести вычисления и снять результат. Иное дело — топологические кубиты.
Идею квантового компьютера на основе топологических кубитов представил советский, российский, а позднее американский учёный Алексей Китаев. Топологическим кубит назван по той причине, что он крайне устойчивый в своём состоянии. Он может сколь угодно долго оставаться устойчивым при обычных условиях при поддержании необходимых параметров среды или условий его образования. Например, он не разрушается в процессе измерения, как «обычный» кубит. Надо ли говорить, что за топологический кубит сначала схватилась компания Microsoft, а затем и Intel, не говоря о других?
Китаев же предложил в качестве топологического кубита использовать фермионы Майораны. Дело в том, что эта гипотетическая частица одновременно является своей античастицей. Как результат, её электрический заряд стремится к нулю, а это безразличие ко всему на свете, включая «раздражители». Просто верх стабильности и постоянная демонстрация суперпозиции. Но фермионы Майораны никем не обнаружены, поэтому учёные представляют эту частицу в виде квазичастицы, например, в виде коллективного взаимодействия электронов. И именно такое коллективное взаимодействие электронов смоделировали учёные из Университета Аалто.
Одно из зданий Университета Аалто, источник: glassdoor.com
Для создания майорановского фермиона с нулевой энергией (MZM, Majorana zero energy modes) необходимы очень тонкие 2D-материалы (двумерные). С их помощью можно создать одномерный майорановский фермион с нулевой энергией (1D MZM) или топологический сверхпроводник, также предсказанный Китаевым. Именно 1D MZM представлен Китаевым как возможная основа топологического кубита.
Топологическая сверхпроводимость возникает на границе двух 2D-материалов и позволяет создавать ловушки для майорановских фермионов — групп электронов в нашем случае. Именно на границе создаётся одномерное пространство, которое делает возможным появление кубита в виде 1D MZM. Один из материалов — это магнитный электрический изолятор, а второй — сверхпроводник. Магнитное поле у изолятора сравнительно слабое, поэтому оно не нарушает сверхпроводимости в присоединённом сверхпроводнике.
В исследовании американских учёных топологический сверхпроводник состоит из слоя бромида хрома, материала, который остаётся магнитным даже при толщине всего в один атом. Команда вырастила островки бромида хрома толщиной в один атом на поверхности сверхпроводящего кристалла диселенида ниобия и измерила их электрические свойства с помощью сканирующего туннельного микроскопа. После целой серии моделирований был сделан вывод, что измеренные электрические свойства явления можно с уверенностью представить как одномерный майорановский фермион с нулевой энергией, а не что-то иное.
Исследователи уверены, что они научились создавать одномерные MZM из двумерных материалов, и следующим шагом станет попытка превратить их в топологические кубиты. Добавим, статья об исследовании опубликована на днях в журнале Nature. Квантовые компьютеры стали ещё на один шаг ближе.
Источник:
