Sacensībās, lai kvantu datori būtu praktiski, zinātnieki ir nonākuši pie dažām no dīvainākajām idejām fizikā. Tikai nedaudzi ir svešinieki – bet arī daudzsološāki – nekā priekšstats par daļiņu izmantošanu, kas ir viņu pašu antipaltie, lai glabātu un manipulētu ar informāciju. Šī ir Majorana daļiņu koncepcija.
Pagājušā gadsimta 30. gados itāļu fiziķis Ettore Majorana ierosināja daļiņu, kas atšķirībā no elektrona vai protona būtu neatšķirami no tā prettika. Vairumā gadījumu matērija un antimateriāli ir precīzi pretstati. Ja jūs tos apvienojat, viņi iznīcina enerģijas zibspuldzi. Bet majorana daļiņa ir ideāls pati spogulis: ja jūs to ieslēdzat iekšā un mainīsit katru lādiņu un īpašumu, jūs saņemat to pašu, ar ko jūs sākāt. Tas neattiecas uz elektroniem vai protoniem.
Gadu desmitiem šī simetrija šķita teorijas lietas vien. Augstas enerģijas fiziķi meklēja Majoras kosmiskos staros un daļiņu paātrinātājos, bet neatklāja neko pārliecinošu. Pēc tam nesen saīsinātās vielas fiziķi atrada nepilnību: noteiktas “kvazipartikas” speciāli izstrādātos materiālos uzvedas matemātiski kā Majoranas. Šīs kvazipartikas nav elementāras daļiņas no dabas kataloga, bet gan kolektīvās ierosmes – piemēram, ripples elektronu jūrā -, kas ievēro tos pašus neparastos noteikumus. Tie var parādīties, piemēram, sīku supravadošu vadu galos, kas atdzesēti līdz gandrīz absolūtai nullei, magnētiskā lauka ietekmē.
Fakts, ka šie majorānam līdzīgie režīmi varētu pastāvēt tabletopa eksperimentā, elektrificēja kvantu skaitļošanas kopienu. Šis satraukums nebija tāpēc, ka tās ir reti sastopamas, skaistas dīvainības (patiešām tās ir), bet gan tāpēc, ka viņi varētu atrisināt vienu no kvantu skaitļošanas grūtākajām, spītīgākajām problēmām: saglabājot kvantu informāciju stabilu.
Pirmā aizsardzības līnija
Kas nomoka kvantu datoru? Kvīts, bitu kvantu analogs jūsu klēpjdatorā vai viedtālrunī, vienlaikus var pastāvēt superpozīcijā vai maisījumā ar “0” un “1”. Šis dīvainais īpašums, kā arī sapinums starp vairākām Qubits ir tas, kas kvantu datoriem piešķir to potenciālo jaudu. Bet kvadrāta stāvoklis ir gandrīz absurdi delikāts. Ja kvadrāts mijiedarbojas ar apkārtējo pasauli, piemēram, teiksim, klaiņojošs karstums vai gaisma, tā superpozīcija var “sabrukt”, piespiežot kvadrātu noteiktā 0 vai 1 un izdzēst to informāciju.
Šis process, ko sauc par dekoherenci, ir nepielūdzams. Mūsdienu vismodernākajās supravadošajās kvantu mikroshēmās qubits var ilgt mikrosekundi līdz milisekundēm pirms dekorēšanas. Tas var izklausīties ilgi, bet datoram, kam secīgi jāveic tūkstošiem vai miljoniem operāciju, tas ir pārāk īss. Lai tiktu galā, inženieri izmanto kvantu kļūdu korekciju, kas kodē vienu loģisko kvadrātu daudzu fizisku kvadrātu saišķī. Atlaišana ļauj datoram noteikt un novērst kļūdas lidojumā, taču tas maksā par izmaksām: lai uzturētu tikai vienu loģisku kvadrātu, var būt nepieciešami simtiem vai tūkstošiem fizisku kvadrātu.
Tas ir sašaurinājums. Ja būtu veids, kā padarīt Qubits pēc būtības izturīgākas pret kļūdām un aizsargāt to kvantu stāvokli aparatūras līmenī, viss uzņēmums kļūs daudz efektīvāks.
Piecdesmitajos gados itāļu fiziķis Ettore Majorana (attēlā šeit c. 1930. gados) ierosināja daļiņu, kas atšķirībā no elektrona vai protona nebūtu atšķiramas no tās prettika. | Fotoattēlu kredīts: publiskā domēns
Šeit Majoranas piedāvā radikāli atšķirīgu pieeju. Iedomājieties kvadrātu, kas nav kā kaut kas, kas glabāts vienā, trauslā objektā, bet kā īpašumu, kas diviem plaši atdalītiem gabaliem ir kopīgs. Tas ir iespējams ar Majorana režīmiem. Dažos supravadītājos elektroni veido saistītus pārus, bet pareizajos apstākļos viena elektrona kvantu stāvokli faktiski var sadalīt divās daļās. Katra puse uzvedas kā Majorana režīms.
Būtiski, ka šīs divas puses var novietot tālu viena no otras, gar vienu un to pašu nanoveru vai dažādos ierīces reģionos. Kopā viņi definē vienu kvadrātu, bet informācija par to, vai šis kvadrāts ir stāvoklī 0, 1 vai abu superpozīcija tiek glabāta abu Majoranas apvienotajā stāvoklī. Ja traucējumi ietekmē vienu no tiem – teiksim, mazliet vietēja trokšņa vai materiāla defekta – tas pats par sevi nevar iznīcināt kodēto informāciju. Abas puses būs jāizjauc korelētā veidā, un tas ir daudz mazāk ticams.
Šī nelokālā kodēšana ir pirmā aizsardzības līnija. Tas ir tā, it kā jūs uzrakstītu noslēpuma pirmo pusi vienā piezīmjdatorā, kas tika turēts Parīzē, bet otrajā pusē – citā, kas aizslēgts Tokijā. Vienas piezīmju grāmatiņas nozagšana neatklāj noslēpumu: jums jābūt abiem.
Aušanas pinumi
Aizsardzība ar to nebeidzas. Majorana režīmi pieder arī retai kvantu priekšmetu klasei, ko sauc par neabeliešu valodu. Lai novērtētu, ko tas nozīmē, tas palīdz atkāpties un domāt par to, kā daļiņas parasti uzvedas, kad jūs apmaināt viņu pozīcijas.
Mūsu ikdienas pasaulē divu identisku apelsīnu apmaiņa vispār neko nemaina. Kvantu pasaulē identiskas daļiņas ietilpst divās labi zināmās kategorijās. Bosoni (piemēram, fotoni) nemainās to kopējo viļņu funkciju, kad tie tiek apmainīti. Fermions (piemēram, elektroni) mainās tikai ar mīnus zīmi – matemātisku ķeksīti, kas joprojām atstāj visvairāk novērojamās īpašības.
Neatbelian jebkuri ir atšķirīgi. Ja jūs apmaināties vai “pīt”, divi no tiem, kopīgais kvantu stāvoklis mainās daudz dziļāk. Apmaiņa ne tikai reizina stāvokli ar konstantu; Tas to pārveido par pilnīgi jaunu stāvokli. Turklāt ir svarīga secība, kādā jūs veicat šos mijmaiņas darījumus. Mainiet daļiņu A ar daļiņu B, pēc tam apmainiet B ar C, un jūs galu galā ar citu galīgo stāvokli nekā tad, ja vispirms būtu nomainījis B ar C, tad A ar B.
Tas ir svešs parastajai intuīcijai. Iedomājieties trīs dejotājus uz skatuves, kuri maina visas savas izrādes horeogrāfiju, pamatojoties uz secību, kurā viņi viens otram garām, ne tikai uz to, vai viņi iet.
Fakts, ka Majorana režīmi ir neaktīvi, paver jaunu veidu, kā veikt kvantu aprēķinu. Piemērotā ierīcē jūs varat fiziski pārvietot šos režīmus viens otram apkārt, izsekojot ceļus telpā un laikā. Šo procesu sauc par pinumu, jo, ja jūs uzzīmējat ceļus, tie izskatās kā šķipsnas pītā.
Metode piecu šķipsnu pīšanas pīšanai. | Fotoattēls: Stilfehler (CC By-SA)
Katra pinums atbilst īpašai kvantu stāvokļa pārveidošanai, kas dalīta ar Majoranas. Skaistums ir tāds, ka iznākums ir atkarīgs tikai no pinuma topoloģijas-abstraktā un zemāka modeļa-, nevis no precīzām kustības fiziskajām detaļām. Jūs varētu tos pārvietot lēnām vai ātri, apiet apvedceļu ap piemaisījumu materiālā vai maigi sakratot, kad ejat. Rezultāts būtu tāds pats, kamēr tiek saglabāts pats pīšanas modelis.
Šis īpašums padara aprēķinus, kas veidoti no pinuma topoloģiski aizsargāti. Praktiski tas nozīmē, ka mazas kļūdas laika, stāvokļa vai vides troksnī, visticamāk, nenovērsīs aprēķinu. Daba pati par sevi “noapaļo” nepilnības, veids, kā mezgls paliek mezgls neatkarīgi no tā, kā jūs sagriežat virvi, līdz jūs to faktiski atvienojat.
Stumjot robežas
Principā topoloģisko kvantu datoru varētu ieprogrammēt, vienkārši pārvietojot savus Majorana režīmus pa noteiktu pinumu secību, katrs no tiem ievieš loģisku darbību. Mašīnas noturība būtu nevis no slāņiem, kas saistīti ar kļūdām koriģējošām Qubits, bet gan no pašu daļiņu pamatfizikas.
Pretstatiet to ar šodienas vadošajām kvantu skaitļošanas platformām: supravadošām qubits, ieslodzītajiem joniem un spin Qubits pusvadītājos. Visās šajās sistēmās operācijas ir jākontrolē ar izsmalcinātu precizitāti, un visi traucējumi videi ir jāapslāpē pēc iespējas vairāk. Kvarbitu stāvokļi ir lokalizēti, tāpēc nevēlams grūdiens vai svārstības šajā vietā var apgriezties vai nejaušināt kvadrātu. Aizsardzība pilnībā nāk no inženierzinātņu disciplīnas un aktīvas kļūdu korekcijas, kurām abām nepieciešama milzīga sarežģītība.
Ar Majoranā balstītām topoloģiskajām kvadrātēm cerība ir tā, ka liela daļa no šīs sarežģītības ir nevajadzīga. Tā kā informācija tiek glabāta nelokāli un manipulē ar pinumu, kvadrāta būtiskās īpašības tiek pasargātas no maza mēroga trokšņa. Tas nepadara tos neuzvaramus – joprojām ir veidi, kā kļūdas var rāpot, piemēram, izmantojot saindēšanos ar kvazipartulām vai nepilnīgu izolāciju -, bet bāzes stabilitāte varētu būt lielāka pakāpe labāka.
Nozveja ir tāda, ka solījums joprojām ir galvenokārt teorētisks. Eksperimenti pēdējās desmitgades laikā ir radījuši vilinošus signālus, kas atbilst Majorana režīmu klātbūtnei – nanodaļās, kas izgatavotas no tādiem materiāliem kā indija antimonīds, kas savienots ar supravadītājiem, zem magnētiskā lauka. Elektriskās vadītspējas mērījumi stieples galos ir parādījuši modeļus, kas atbilst prognozēm par majoranām. Bet skeptiķi norāda, ka citi, ikdienišķāki efekti var atdarināt šos modeļus.
Galīgais pierādījums būtu pierādīt pinumu: pārvietot režīmus viens otram apkārt un parādīt, ka sistēmas kvantu stāvoklis mainās tieši tā, kā prognozē neabeliešu statistika. Tas ir delikāts uzdevums. Režīmi ir jāpārvieto, nezaudējot identitāti, labi izolēti no parastajiem elektronu stāvokļiem un ar manipulētu divās dimensijās, kaut arī vairums pašreizējo ierīču ir faktiski viendimensionāli vadi. Pētnieki šobrīd izstrādā sarežģītākas ģeometrijas, lai padarītu pinumu iespējamu.
Ja tas ir veiksmīgs, Majoranā balstītie kvīti varētu mainīt kvantu skaitļošanas ekonomiku. Tā vietā, lai nepieciešami miljons fizisku čaumalu, lai iegūtu dažus tūkstošus loģisku, mašīna var darboties ar daudz mazāk kvadrātu, katra dabiski izturīga. Aparatūra varētu būt vienkāršāka, kļūdu korekcijas virs galvas un aprēķini ir ātrāki un ticamāki. Tas ne tikai paātrinātu praktisko kvantu datoru ienākšanu, bet arī varētu atvērt durvis aprēķiniem, kas pašlaik ir nepieejami trokšņa un nestabilitātes dēļ.
Ir arī vērts atzīmēt, ka Majoras vajāšana jau ir virzījusi kondensētās vielas fizikas robežas. Mēģinot pierunāt šīs daļiņas pastāvēt, pētnieki ir iemācījušies audzēt tīrākus nanodaļus, padarīt labākus supravadošus kontaktus un kontrolēt materiālus atomu skalā. Pat ja galvenā balva paliek nenotverama, tehnoloģiskie blakusprodukti, visticamāk, barojas citās jomās, sākot no kvantu noteikšanas līdz jauna veida elektronikai.
