Po 80 metų abejonių ir laukimo įrodyta itin svarbi kvantinė teorija: Majoranos fermionai tikrai egzistuoja - artėjame link kvantinių kompiuterių

Tyrėjai iš Sidnio universiteto ir Microsoft užregistravo, kaip elektronai formuoja materiją, vadinamą kvazidalele tokiomis sąlygomis, kur jos elgėsi kaip teoriniai objektai, vadinami Majorana fermionais.

Šiek tiek supaprastinant, kvazidalelės yra panašios į dalelių savybės, atsirandančios iš sudėtingų sistemų sąveikos. Nors ir nepriklauso gausiam realių dalelių zoologijos sodui, jų savybės veikia medžiagą pakankamai, kad jos būtų laikomos naudingomis.

2012-aisiais mokslininkai stebėjo kvazidaleles atsiradusias iš elektronų judėjimo. Jų savybės buvo gan neįprastos – nors sudarytos iš neigiamo krūvio elektronų, jos elgėsi visai kaip neutralios dalelės, kurios dar yra ir savo pačių antidalelės.

Neseniai atliktas panašus eksperimentas irgi patvirtino tokių keistų kvazidalelių egzistavimą.

Neutralių „materijos ir antimaterijos viename“ dalelių egzistavimą prieš 80 metų numatė fizikas Ettore Majorana.

Nors kai kurios dalelės, pavyzdžiui, fotonai gali būti vadinamos savo pačių antidalelėmis, mokslininkai stengėsi rasti tokį apibūdinimą atitinkančių fermionų – dalelių, kurioms priklauso elektronai ir kvarkai.

Kol kas iš medžioklės jie grįžta tuščiomis rankomis. Bet šios panašios į Majorana daleles kvazidalelės yra panašiausia į tai, ką mokslininkai ieško.

Nors ir nėra visiškai bona fide standartino modelio dalelės, jos idealiai tiktų topologiniam kvantiniam kompiuteriui.

Topologiniai kvantiniai kompiuteriai panaudoja neutralių dalelių judėjimą dvimatėje erdvėje kaip kvantines būsenas.

Visai kaip kvantinis „sukinys“, naudojamas visų kitų formų kvantiniuose kompiuteriuose, susipynusios trajektorijos arba kasos, kuriomis juda šios dalelės, irgi gali būti vienos iš dviejų būsenų arba šių būsenų superpozicijoje.

Nors pasiekėme labai nemažai kvantinių kompiuterių, išnaudojančių joniniuose spąstuose laikomus atomus ar elektronus superlaidininkuose, topologiniai kompiuteriai turėtų vieną išskirtinį pranašumą.

Dalelių kasomis kuriamos būsenos yra daug patvaresnės už kitas kvantines savybes, pavyzdžiui, elektronų sukinį.

Kitaip tariant, topologiniai kvantiniai kompiuteriai atliktų daug patikimesnius skaičiavimus, darydami mažiau klaidų, kurias kitose sistemose būtina taisyti.

Tokių mašinų trūkumas – reikėtų gerai kontroliuojamos elektromagnetinės aplinkos. Ir dar, jų fizika – nearti dirvonai.

„Tai pats naujausias praktinis mokslas,“ sako David Reilly, Microsoft Station Q direktorius.

Tyrime mokslininkai stebėjo elektroną, kuris, judėdamas plonu laidu, elgėsi visiškai neelektroniškai.

Paprastai elektrono sukinio kvantinė būsena (kuris nėra pačios dalelės sukimasis, bet kampinio momento priskirta reikšmė) su jo paties judėjimu visiškai nesusijusi.

Tačiau apribojus pakankamai siauroje medžiagoje, tokioje, kaip nanovielutė, ir paveikus tinkamu magnetiniu lauku, sukinys ir judėjimas spontaniškai susisieja.

Tai reiškia, kad laidu tekėdami elektronai su priešingais sukiniais taip pat ir suksis priešingomis kryptimis ir taip elgsis kaip savotiškos dvimatės kvazidalelės, kurių topologiniam kvantiniam kompiuteriui ir reikia.

„Ši informacija atitinka ankstesnius pranešimus apie stebėtus Majorana fermionus nanovielutėse,“ sako tyrėja Maja Cassidy iš Sidnio universiteto.

Ši naujiena puiki ne vien kvantiniams kompiuteriams, atradimas gali pasitarnauti praktiškai bet kokioje spintronikos sistemoje, kur informacijos perdavimui naudojamas dalelės kvantinis sukinys, o ne jos elektros krūvis.

Funkcionuojančių topologinių kompiuterių dar teks gerokai palaukti.

Kaip bebūtų, tai geras ženklas, liudijantis, kad inžinieriai rimtai rengiasi padaryti kasas, kurios taptų dar vienu žirgu supersparčių skaičiavimo technologijų lenktynėse.

Šis tyrimas publikuotas Nature Communications .

Mike McRae
sciencealert.com