Вычисление становятся быстрее с квазичастицами

Исследователи сделали важный шаг на пути к топологическим квантовым компьютерам.

Майорановские частицы являются очень своеобразными членами семейства элементарных частиц. Впервые предсказанные в 1937 году итальянским физиком Этторе Майораной, эти частицы принадлежат к группе так называемых фермионов, которая также включает в себя электроны, нейтроны и протоны. Майорановские фермионы электрически нейтральны, а также являются собственными античастицами. Эти экзотические частицы могут, например, выступать в качестве квазичастиц в топологических сверхпроводниках и представлять собой идеальные строительные блоки для топологических квантовых компьютеров.

На пути к таким топологическим квантовым компьютерам на основе майорановских квазичастиц физики из Вюрцбургского университета вместе с коллегами из Гарвардского университета (США) сделали важный шаг: тогда как предыдущие эксперименты в этой области были в основном сосредоточены на одномерных системах, командам из Вюрцбурга и Гарварда удалось перейти к двумерным системам.

В рамках этого сотрудничества группы теоретика Эвелины Ханкевич (Ewelina Hankiewicz) и экспериментатора Лоренса Моленкампа (Laurens Molenkamp) из Вюрцбургского университета объединились с группами Амира Якоби (Amir Yacoby) и Бертрана Гальперина (Bertrand Halperin) из Гарвардского университета.

«Реализация майорановских фермионов - одна из наиболее интенсивно изучаемых тем в физике конденсированных сред», - говорит Эвелина Ханкевич. По ее словам, предыдущие реализации обычно были сосредоточены на одномерных системах, таких как нанопроволоки. Она объясняет, что манипулирование майорановыми фермионами в этих установках очень сложно. Поэтому потребовались бы значительные усилия, чтобы сделать майорановские фермионы в этих установках в конечном итоге применимыми для квантовых вычислений.

Чтобы избежать некоторых из этих трудностей, исследователи изучали майорановские фермионы в двумерной системе с сильной спин-орбитальной связью. «Система, которую мы исследуем, представляет собой так называемый джозефсоновский переход с фазовым управлением, то есть два сверхпроводника, разделенных нормальной областью», - объясняет Лоренс Моленкамп. Сверхпроводящая разность фаз между двумя сверхпроводниками обеспечивает дополнительную регулировку, которая делает сложную точную настройку других параметров системы, по меньшей мере, частично ненужной.

В изученном материале, квантовой яме теллурида ртути, связанной с сверхпроводящим тонкопленочным алюминием, физики впервые наблюдали топологический фазовый переход, который предполагает появление майорановских фермионов в джозефсоновских переходах с фазовым управлением. Реализованная здесь экспериментальная установка представляет собой универсальную платформу для создания и управления фермионами Майораны, которая предлагает несколько преимуществ по сравнению с предыдущими одномерными платформами. По словам Ханкевич, «это важный шаг на пути к улучшению контроля над майорановскими фермионами». Доказательство концепции топологического сверхпроводника на основе двумерного джозефсоновского перехода открывает новые возможности для исследования майорановских фермионов в физике конденсированных сред. В частности, можно избежать нескольких ограничений предыдущих реализаций майорановских фермионов.

В то же время улучшенное управление майорановскими фермионами представляет собой важный шаг к топологическим квантовым компьютерам. Теоретически, такие компьютеры могут быть значительно более мощными, чем обычные компьютеры. Таким образом, они могут революционизировать компьютерные технологии.

Затем исследователи планируют улучшить джозефсоновские переходы и перейти к переходам с более узкими нормальными областями. Здесь ожидаются более локализованные майорановские фермионы. Они также изучают дополнительные возможности манипулирования майорановскими фермионами, например, с использованием других полупроводников.