Billeddannelse af eksotiske kvantepartikler som byggesten til kvanteberegning

Forskere ved University of Illinois i Chicago, i samarbejde med deres kolleger ved universitetet i Hamburg i Tyskland, har afbildet en eksotisk kvantepartikel - kaldet en Majorana fermion - der kan bruges som byggesten til fremtidige qubits og til sidst realisering af kvantecomputere. Deres resultater er rapporteret i journalen Videnskab fremskridt .

For mere end 50 år siden, Gordon Moore, den tidligere administrerende direktør for Intel, observeret, at antallet af transistorer på en computerchip fordobles hver 18. til 24. måned. Denne trend, nu kendt som Moores lov, har fortsat til i dag, fører til transistorer, der kun er få nanometer-en milliarddel af en meter-i størrelse. I denne skala, de klassiske fysiske love, som danner grundlaget for vores nuværende computere, ophøre med at fungere, og de erstattes af kvantemekanikkens love. Gør transistorer endnu mindre, som tidligere har været brugt til at øge computerhastighed og datalagring, er, derfor, ikke længere muligt.

Medmindre forskere kan finde ud af at bruge kvantemekanik som det nye fundament for den næste generation af computere.

Dette var den grundlæggende idé formuleret i 1982 af Richard Feynman, en af ​​de mest indflydelsesrige teoretiske fysikere i det 20. århundrede. I stedet for at bruge klassiske computerbits, der gemmer oplysninger, der er kodet i nuller og dem, man ville udtænke "kvantebits" - eller kort sagt qubits - der ville udnytte kvantemekanikkens love til at lagre et hvilket som helst tal mellem 0 og 1, derved eksponentielt at øge computerhastigheden og føre til fødslen af ​​kvantecomputere.

"Som regel, når du taber din mobiltelefon, det sletter ikke oplysningerne på din telefon, "sagde Dirk Morr, professor i fysik ved UIC og tilsvarende forfatter på papiret. "Det er fordi de chips, som informationerne er gemt på i stykker af en og nuller, er ret stabile. Det kræver meget rod for at vende en til nul og omvendt. I kvantecomputere, imidlertid, fordi der er et uendeligt antal mulige tilstande for qubit at være i, oplysninger kan gå tabt meget lettere. "

For at danne mere robuste og pålidelige qubits, forskere har vendt sig til Majorana fermioner - kvantepartikler, der kun forekommer i par.

"Vi har kun brug for en Majorana fermion pr. Qubit, og derfor må vi adskille dem fra hinanden, "Sagde Morr.

Ved at bygge qubits fra et par Majorana fermioner, oplysninger kan kodes pålideligt, så længe Majoranas holder sig tilstrækkeligt langt fra hinanden.

For at opnå denne adskillelse, og til "billede" en enkelt Majorana fermion, det er nødvendigt at oprette en "topologisk superleder" - et system, der kan lede strøm uden energitab, og på samme tid, er bundet til en "topologisk knude".

"Denne topologiske knude ligner hullet i en doughnut:du kan deformere donuten til et kaffekrus uden at miste hullet, men hvis du vil ødelægge hullet, du skal gøre noget temmelig dramatisk, såsom at spise doughnut, "Sagde Morr.

At bygge topologiske superledere, Morrs kolleger ved universitetet i Hamborg placerede en ø med magnetiske jernatomer, kun snesevis af nanometer i diameter, på overfladen af ​​rhenium, en superleder. Morrs gruppe havde forudsagt, at ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop, man burde være i stand til at forestille sig en Majorana fermion som en lys linje langs kanten af ​​øen af ​​atomer. Og det er præcis, hvad forsøgsgruppen observerede.

"At kunne visualisere disse eksotiske kvantepartikler tager os endnu et skridt tættere på at bygge robuste qubits, og i sidste ende kvantecomputere, "Morr sagde." Det næste trin vil være at finde ud af, hvordan vi kan kvanteteknikere disse Majorana qubits på kvantechips og manipulere dem for at opnå en eksponentiel stigning i vores computerkraft. Dette vil give os mulighed for at løse mange problemer, vi står over for i dag, fra bekæmpelse af global opvarmning og forudsigelse af jordskælv til at afhjælpe trafikbelastning gennem førerløse biler og skabe et mere pålideligt energinet. "