V závodit na tom, aby se kvantové počítače praktickéVědci se ocitli přitahováni k některým z nejpodivnějších nápadů ve fyzice. Jen málo z nich je cizí – ale také slibnější – než představa o použití částic, které jsou jejich vlastními antičásticemi pro ukládání a manipulaci s informacemi. Toto je koncept částic Majorany.
Ve 30. letech 20. století italský fyzik Ettore Majorana navrhl částici, která by na rozdíl od elektronu nebo protonu byla nerozeznatelná od svého protějšku antihmoty. Ve většině případů jsou hmota a antihmota přesná protiklady. Pokud je spojíte, zničí záblesk energie. Ale částice Majorana je perfektním zrcadlem sebe: pokud jej otočíte dovnitř ven a obrátíte každý náboj a majetek, dostanete to samé, co jste začali. To neplatí pro elektrony nebo protony.
Po celá desetiletí se tato symetrie zdála jako samotná věc teorie. Vysokoenergetická fyzici hledali majoranas v kosmických paprscích a urychlovačích částic, ale neodhalili nic přesvědčivého. Poté, v poslední době, fyzici zkondenzované hmoty našli mezeru: Některé „kvazipartiky“ uvnitř speciálně navržených materiálů se chovají matematicky jako majoranas. Tyto kvazičástice nejsou elementárními částicemi z přírodního katalogu, ale kolektivní excitace – jako vlnky v elektronovém moři -, které se řídí stejnými neobvyklými pravidly. Mohou se objevit například na koncích malých supravodivých vodičů chlazených na téměř absolutní nulu, pod vlivem magnetického pole.
Skutečnost, že tyto režimy podobné Majoraně by mohly existovat v experimentu stolního experimentu, elektrifikovala kvantovou výpočetní komunitu. Toto vzrušení nebylo proto, že jsou vzácné, krásné zvláštnosti (skutečně jsou), ale kvůli vyhlídce, že by mohli vyřešit jeden z nejtěžších a nejplažnějších problémů Quantum Computing: udržování kvantových informací stabilní.
První linie obrany
Co trápí kvantový počítač? Qubit, kvantový analog bitu v notebooku nebo smartphonu, může existovat v superpozici nebo směsi, „0“ a ‚1‘ současně. Tato podivná vlastnost, spolu s zapletením mezi více qubits, je to, co dává kvantovým počítačům jejich potenciální sílu. Ale stav Qubit je téměř absurdně jemný. Pokud qubit interaguje s okolním světem, jako například řekněte nějaké zbloudilé teplo nebo světlo, může jeho superpozice „zhroutí“, což nutí qubit do určitého 0 nebo 1 a vymazává informace, které drží.
Tento proces, nazývaný decoherence, je neúprosný. V dnešních nejpokročilejších supravodivých kvantových čipech mohou Qubits před dekoherimech vydržet mikrosekundy na milisekund. To může znít dlouho, ale pro počítač, který musí provádět tisíce nebo miliony operací v pořadí, je to příliš krátké. Pro zvládnutí inženýři používají korekci kvantové chyby, která kóduje jeden logický qubit do svazku mnoha fyzických qubitů. Redundance umožňuje počítači detekovat a opravit chyby za běhu, ale přichází za cenu: K udržení pouze jednoho logického qubit mohou být zapotřebí stovky nebo tisíce fyzických qubits.
Toto je úzkost. Pokud by existoval způsob, jak zhoršit qubits ze své podstaty odolnější vůči chybám a chránit jejich kvantový stav na hardwarové úrovni, celý podnik by se stal mnohem efektivnějším.
Ve 30. letech 20. století navrhl italský fyzik Ettore Majorana (na obrázku zde třicátá léta) částici, která by na rozdíl od elektronu nebo protonu byla nerozeznatelná od protějšku antihmoty. | Fotografický kredit: Veřejná doména
To je místo, kde Majoranas nabízejí radikálně odlišný přístup. Představte si qubit ne jako něco uloženého v jediném křehkém objektu, ale jako vlastnost, kterou sdílejí dva široce oddělené kusy. To je možné u režimů Majorana. V některých supravodičích tvoří elektrony vázané páry, ale ve správných podmínkách může být kvantový stav jednoho elektronu ve skutečnosti rozdělen na dva. Každá polovina se chová jako režim Majorana.
Je důležité, že tyto dvě poloviny mohou být umístěny daleko podél stejného nanowire nebo v různých oblastech zařízení. Společně definují jediný qubit, ale informace o tom, zda je tento qubit ve stavu 0, 1 nebo superpozice obou, jsou uloženy v kombinovaném stavu obou majoranas. Pokud narušení ovlivní jednu z nich – řekněme, trochu místního šumu nebo vady v materiálu – nemůže samo o sobě zničit kódované informace. Obě poloviny budou muset být narušeny korelovaným způsobem, a to je mnohem méně pravděpodobné.
Toto nelokální kódování je první linií obrany. Je to, jako byste napsali první polovinu tajemství v jednom notebooku udržovaném v Paříži a ve druhé polovině v jiné uzamčení v Tokiu. Krádež jednoho notebooku neodhaluje tajemství: musíte mít obojí.
Tkaní copánky
Ochrana tam nekončí. Režimy Majorana také patří do vzácné třídy kvantových předmětů zvaných non-Abelian Anyoons. Abychom ocenili, co to znamená, pomáhá to ustoupit a přemýšlet o tom, jak se částice obvykle chovají, když si vyměňujete své pozice.
V našem každodenním světě, výměna dvou stejných pomerančů nemění vůbec nic. V kvantovém světě spadají identické částice do dvou známých kategorií. Bosony (např. Fotony), když jsou vyměněny, nemění svou celkovou vlnovou funkci. Fermions (např. Elektrony) se mění pouze pomocí znaménka mínus, matematickým vtipem, který stále ponechává nejvíce pozorovatelné vlastnosti nedotčené.
Neabelianští všichni jsou odlišní. Pokud si vyměňujete nebo „cop“, dva z nich, společný kvantový stav se změní mnohem hlouběji. Swap neflibuje stav pouze konstantou; Proměňuje jej na zcela nový stav. A co víc, pořadí, ve kterém děláte tyto swapy, záleží. Swap částice A s částicí B, pak vyměňte B s C a skončíte s jiným konečným stavem, než kdybyste měli nejprve vyměnit b s C, pak s B.
To je mimozemšťana pro běžnou intuici. Představte si tři tanečníky na jevišti, kteří mění choreografii celého jejich představení na základě sekvence, ve které se navzájem procházejí, nejen na tom, zda procházejí.
Skutečnost, že režimy Majorana jsou neabelian, otevírá nový způsob provádění kvantového výpočtu. Ve vhodném zařízení můžete tyto režimy fyzicky pohybovat kolem sebe a vysledovat cesty v prostoru a čase. Tento proces se nazývá pletení, protože pokud nakreslíte cesty, vypadají jako prameny v copu.
Metoda, jak copejte pět pramenů. | Foto kredit: Stilfehler (CC by-SA)
Každý cop odpovídá specifické transformaci kvantového stavu sdíleného majorany. Krása je taková, že výsledek závisí pouze na topologii copu-abstraktní vzorec nad a under-a ne na přesných fyzických detailech pohybu. Mohli byste je pohybovat pomalu nebo rychle, objíždět objížďku kolem nečistoty v materiálu nebo je jemně protřepat. Výsledek by byl stejný, pokud by byl zachován samotný vzorec pletení.
Tato vlastnost vytváří výpočty vytvořené z topologicky chráněných pletení. Z praktického hlediska to znamená, že malé chyby v načasování, poloze nebo šumu v životním prostředí pravděpodobně nevytváří výpočet. Samotná příroda „zaokrouhluje“ nedokonalosti, způsob, jakým uzel zůstává uzel bez ohledu na to, jak se provazujete, dokud to vlastně nevytváříte.
Tlačení hranic
V zásadě by topologický kvantový počítač mohl být naprogramován jednoduše přesunutím svých režimů Majorany prostřednictvím předepsané sekvence copánků, z nichž každá implementuje logickou operaci. Robustnost stroje by nepocházela z vrstev na vrstvách qubitů korigujících chyb, ale ze základní fyziky samotných částic.
Kontrastujte to s dnešními předními kvantovými výpočetními platformami: supravodivé qubits, uvězněné ionty a rotační qubits v polovodičích. Ve všech těchto systémech musí být operace kontrolovány vynikající přesností a jakékoli poruchy životního prostředí musí být co nejvíce potlačeny. Stavy qubit jsou lokalizovány, takže nežádoucí náraz nebo fluktuace v tomto místě může qubit převrátit nebo randomizovat. Ochrana pochází zcela před inženýrskou disciplínou a aktivní korekcí chyb, které vyžadují obrovskou složitost.
U topologických qubits se sídlem v Majoráně je naděje, že velká část této složitosti není nutná. Protože informace jsou uloženy nelokálně a manipulovány pomocí pletení, základní vlastnosti qubit jsou chráněny před malým šumem. To je neznamená, že jsou neporazitelné – stále existují způsoby, jak se mohou chyby vplížit, například otravou kvaziparticle nebo nedokonalé izolaci – ale základní stabilita by mohla být lepší řády.
Úlovek je, že slib je stále většinou teoretický. Experimenty za poslední desetiletí způsobily dráždivé signály v souladu s přítomností majoranových režimů – u nanočástic vyrobených z materiálů, jako je indium antimonid, spojené s supravodiči, pod magnetickým polem. Měření elektrické vodivosti na koncích drátu ukázala vzory, které odpovídají předpovědím pro majoranas. Skeptici však poukazují na to, že další, více světské účinky mohou tyto vzorce napodobovat.
Konečným důkazem by bylo demonstrace pletení: přesunout režimy kolem sebe a ukázat, že kvantový stav systému přesně v tom, jak předpovídají neabelské statistiky. Toto je delikátní úkol. Režimy musí být přesunuty bez ztráty své identity, udržovány dobře izolované od běžných elektronových stavů a manipulovány ve dvou rozměrech, i když většina současných zařízení je účinně jednorozměrná dráty. Vědci v současné době navrhují složitější geometrie, aby bylo možné pletení proveditelné.
Pokud by se Qubits se sídlem v Majoraně mohla změnit ekonomiku kvantového výpočtu. Místo toho, aby potřeboval milion fyzických qubitů, aby získal několik tisíc logických, může stroj fungovat s mnohem méně qubits, každý přirozeně robustní. Hardware by mohl být jednodušší, korekce chyb menší a výpočty rychlejší a spolehlivější. To by jen nezrychlilo příchod praktických kvantových počítačů, mohlo by to také otevřít dveře výpočtům, které jsou v současné době mimo dosah kvůli hluku a nestabilitě.
Rovněž stojí za zmínku, že pronásledování Majoranas již tlačilo hranice fyziky kondenzované hmoty. Při pokusu o to, aby tyto částice existovaly, se vědci naučili pěstovat čistší nanočástice, vytvářet lepší supravodivé kontakty a kontrolovat materiály v atomové stupnici. I když konečná cena zůstává nepolapitelná, technologické vedlejší produkty se pravděpodobně živí do jiných oblastí, od kvantového snímání až po nové druhy elektroniky.
