ПРИХОВАТИ

Дивні ідеї, що ведуть до створення квантового комп`ютера

Think Stock

Останні два роки означилися великою кількістю повідомлень вчених із різних куточків світу про експерименти з майоранівськими ферміонами. До достатньо недавнього часу ці екзотичні квазічастинки були скоріше курйозом, який виникає у деяких, надто вже екзотичних ситуаціях. Тепер же на них дивляться як на джерело можливого нового прориву у техніці, здатного перевернути саму основу нашого світу – обчислювальні технології.

Майоранівські ферміони

Це історія про те, як купа дивних наукових ідей, які досить важко реалізувати на практиці об’єдналася разом у сучасних дослідженнях, які можуть призвести до створення квантового комп’ютера, здатного здійснювати обчислення на кілька порядків швидше, ніж це роблять наші сучасні електронні машини.

AA319484 cucina 348 437 300 4108 5164 Scala di grigio

Розпочалася ця історія 1937 року, коли Етторе Майорана молодий математик із італійської команди фізиків-ядерників під керівництвом  Енріко Фермі висунув ідею про те, що може існувати ферміон, у якого усі квантові характеристики дорівнюють нулю, тобто він є власною античастинкою. Стандартна модель передбачає існування бозонів, які є античастинками для самих себе. А от подібних ферміонів  відомо не було, але математичні викладки Майорани свідчили про те, що вони все ж можуть існувати. Зокрема, такою античастинкою до самого себе могло бути електронне нейтрино – крихітна частинка без маси та заряду, яка народжується під час бета-розпаду.

Однак поставити подібний експеримент вкрай важко. Ми й досі не знаємо, чи є нейтрино майоранівською частинкою, хоча останні експерименти свідчать про те, що скоріше ні, ніж так. Однак це неважливо, оскільки значно цікавішими за неподільні майоранівські частинки виявилися їх багатокомпонентні аналоги. Можна так об`єднати у один комплекс декілька звичайних ферміонів, що їх сумарні квантові характеристики будуть дорівнювати нулю. Утворена квазічастинка буде античастинкою до самої себе.

Джозефсонівський перехід

Майоранівські квантові стани здавались значно простішою штукою, ніж визначення того, чи є нейтирино античастинкою до самого себе. Однак вони теж потребували створення достатньо екзотичних умов, тож вперше на практиці вони були отримані усього кілька років тому одразу кількома різними способами у різних лабораторіях світу. Мабуть найбільш цікавим та перспективним є досвід китайських вчених з Пекінського університету. Для того, аби отримати майоранівськ квантові стани вини звернулися до інших дивних ідей фізиків, які досі мали достатньо обмежене застосування у техніці.

Перш за все, вони застосували надпровідники. Це матеріали, у яких при певних умовах спостерігається відсутність у матеріалу електричного опору. Ці дивні на перший погляд матеріали були відкриті у 1911 році і з тих пір вчені усього світу шукають такі речовини, які були б надпровідниками при кімнатній температурі. Як і у випадку з майоранівськими ферміонами, відсутність цього рішення не заважає фізикам висувати щодо надпровідників цікаві ідеї.

Одну з них запропонував у 1962 році британський фізик Брайан Джозефсон. Він припустив, що якщо між двома ділянками надпровідника розмістити ділянку звичайного провідника, то цей звичайний провідник буде вести себе як надпровідник і буде спостерігатися ще кілька ефектів. Хоча перехід Джозефсона і був підтверджений вже через рік після публікації статті, він переважно так і залишився цікавою іграшкою у лабораторіях науковців.

Топологічний ізолятор та надпровідник

Топологічний ізолятор. Джерело:https://en.wikipedia.org/wiki/Topological_insulator

Щоправда, фізики одразу збагнули, що джозефсонівський перехід може бути ключем до нової електроніки і навіть створили на його основі декілька експериментальних мікросхем. Однак впритул до практичної реалізації обчислювальної машини на нових принципах підійшли тільки дослідники з Пекінського університету у своєму дослідженні 2017 року. Для цього їм знадобилася ще одна, вже четверта за рахунком, дивна фізична ідея. Вони вирішили використати у якості містка між двома ділянками надпровідника не простий провідник, а топологічний ізолятор.

Ідея топологічного ізолятора полягає у тому, що на нанометричному рівні деякі молекулярні структури вміють проводити електричний струм по своїй поверхні, залишаючись в середині ізоляторами. Поєднавши топологічний ізолятор із надпровідником, вчені отримали топологічний надпровідник із ефектом Джозефсона. І ось  ця дивна конструкція стала і надійним, і добре контрольованим джерелом майоранівських ферміонів.

Направду, на той час це був далеко не перший експеримент, у якому відтворювалися майоранівські квантові стани. Ще на початку 2010-х років встигло вийти декілька досліджень, у яких ці стани були отримані іншим чином. Але експеримент китайців виявився, з одного боку, неймовірно складним, а з іншого – напрочуд вдалим. Тож тоді до цього дослідження поставилися обережно, вирішивши перевірити.

Квантовий комп’ютер

Аж ось  у 2018-2019 роках вийшло дві статті, які не просто підтверджують цю роботу, а й відкривають нові перспективи для її розвитку. Та ж сама команда з Пекінського універстету опублікувала нову статтю, у якій розповіла про вдалу спробу керування властивостями майоранівських часток за допомогою ефекту Джозефсона. Вони експериментували з парами хіральних майоранівських ферміонів і дійшли висновку, що при здійсненні джозефсонівського переходу у цих пар існує три можливі шляхи. Перший – обидві частинки відбиваються від ділянки топологічного ізолятору. Другий – обидві вони здійснюють перехід. Третій – одна із частинок здійснює перехід, а інша – відбивається. Оскільки навіть при розділенні частинок у такій парі їхні квантові характеристики залишаються зв’язаними, їх можна використовувати для реалізації ще однієї дивної ідеї – квантового комп’ютера. І цього разу ця ідея дійсно може виявитися такою, що змінить усе наше життя.

Звичайний комп’ютер працює на вимірюванні енергії частинок. Енергію, нижчу за певний рівень він вважає нулем, а вищу – одиницею. І хоча робити це  можна з надзвичайною швидкістю, мінімальні розміри елементів, які вловлюють ці частинки обмежують нашу можливість нарощувати потужності обчислювальної техніки. Так чи інакше, це буде потік частинок, кожна з яких є або одиницею або нулем. Але у частинки є ще її квантові характеристики, кожну з яких можна також прирівняти до одиниці чи нуля. І квантовий світ влаштований таким чином, що пара характеристик однієї частинки може нести у собі не два розряди, як це було б у випадку електронного комп’ютера, а чотири, реалізуючи одночасно усі чотири комбінації, які можливі. Це явище має назву суперпозиції.

Так от, майоранівські частки у експерименті китайських вчених вже можна використовувати у якості квантових одиниць інформації – кубітів. Тим більше, що процесом переходу вчені навчилися керувати, що само по собі є сенсацією, оскільки майоранівські частки за визначенням є електрично нейтральними і тому вплинути на них безпосередньо магнітним полем неможливо. Однак дослідникам вдалося обійти це обмеження за допомогою джозефсонівського переходу. Тож, квантовий комп’ютер вже зовсім близько.

Контроль над майоранівськими частинками

Тим більше, невдовзі після вищезгаданої роботи вийшла ще одна. Цього разу це була робота вчених із Вюрцбурзького та Гарвардського університетів. По суті, вони повторили  експеримент своїх пекінських колег, створивши керований топологічний надпровідник. Однак тут вчені пішли далі і, на відміну від попередніх експериментів, навчили майоранівські квазічастки рухатися не в одному, а у двох перпендикулярних напрямках.

Справа у тому, що одномірний перехід, який використовувався досі не давав змогу надійно контролювати майоранівські квазічастки. Перехід до двовимірності значно сприяє цьому. Головний же підсумок цієї роботи полягає у тому, що зараз розглядають джозефсонівський перехід майоранівських квазічасток як ключ до квантового комп’ютера не тільки китайські вчені, але й вчені в інших університетах. Тож прогрес у дослідженнях набирає обертів.

Напівпровідниковий нанодріт та спін-орбітальна взаємодія

Щоправда у цієї системи є конкурент. У травні 2019 року вийшла стаття дослідників із Дельфтського університету, у якій вони говорять про майоранівські частки у нанодротинах. Саме у Дельфтському університеті і саме цим способом майоранівські частки вперше були отримані у 2012 році. Тут теж має місце місток між двома надпровідниками. Однак цього разу він являє собою дріт із напівпровідника нанометричного масштабу.

Теоретично цей спосіб є трохи простішим за топологічний надпровідник, однак кілька років практичній реалізації його заважали великі шумові перешкоди, що виникають при використанні такої системи.

BOMMER ET AL.

Надійна реалізація цього механізму передбачає вивчення спін-орбітальної взаємодії і у надпровіднику, і у напівпровіднику. Наявність майоранівських часток сама по собі означає наявність такої взаємодії, однак досі ніхто цього явища не вивчав. Магнітне поле, якщо воно достатньо сильне, пригнічує надпровідність. Однак виявилося, що наявність спін-орбітальної взаємодії робить надпровідність більш стійкою до дії магнітних полів внаслідок чого у поставленому експерименті взагалі відбувається поява майоранівських часток.

Куди ведуть дивні ідеї?

Поки що сказати, який із напрямків досліджень є більш-перспективним зарано. Обидва вони досі є лабораторними експериментами, які відбуваються у екзотичних умовах. Цілком може статися, що у майбутньому квантовому комп’ютері будуть використовуватися одразу обидва підходи, або взагалі щось, що об’єднує у собі їх елементи.

Цікаво тут інше. Фізико-технічні дослідження потроху виходять на той рівень, коли для пояснення того, у чому різниця між двома різними дослідженнями, а то і просто для розуміня того, що відбувається у них самої шкільної фізики виявляється недостатньо. Двадцяте століття принесло нам чимало дуже дивних ідей, які описують  екзотичні явища, часто неймовірні із точки зору побутової логіки. І зараз ми тільки приступили до використаня цих ідей на практиці. Тож пояснення, чому нова технологія не є магією ставатимуть усе довшими, а історії створення нових пристроїв – все цікавішими.

Mechanics & Astronomy (2018), doi: 10.1007/s11433-018-9293-6Nature (2019), doi: 10.1038/s41586-019-1148-9; Physical Review Letters (2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.187702.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Total
68
Shares
68 Shares:
Перегляньте також
Далі

Це схоже на зіткнення чорної діри та нейтронної зорі – дослідники

Нова ера астрономічних спостережень, яку відкрили детектори гравітаційних хвиль, схоже, принесла чергове відкриття: на думку австралійських та американських…
Далі

Дивний парадокс «квантового голубника» знайшов своє підтвердження

Команда дослідників з Каліфорнії провела експеримент, який підтвердив так званий парадокс «квантового голубника». Це один із перших експериментів,…