Ученые разрабатывают квантовый компьютер из античастиц

Изучение этого феномена позволит создание необходимого материала для квантовых компьютеров, передает Depo.ua со ссылкой на НВ.

Самые продвинутые и богатые технологические компании мира ломают голову над созданием первых работающих квантовых компьютеров. Суть этой технологии состоит в том, что компьютеры нового поколения будут использовать кубиты в качестве минимальной единицы информации.

В отличие от привычных нам битов, кубиты могут находиться в двух состояниях одновременно и обрабатывать гораздо больше информации. Главной проблемой создания кубитов остается нестабильность существующих для этого технологий и чрезвычайно низкие температуры, при которых частицы сверхпроводящих материалов могут переходить в квантовое состояние и производить необходимые электрические импульсы.

Вероятным решением проблемы стабильности квантовых компьютеров может быть использование фермионов Майораны — частиц, которые одновременно являются своими античастицами. Этот парадокс описал итальянский физик Этторе Майорана почти сто лет назад, а теперь ученые со всего мира надеются использовать майорановские фермионы на практике.

Как сообщает Science Alert, такие фермионы могут действовать как кубиты, находясь в квантовой суперпозиции и передавая сразу несколько электрических импульсов в виде информации.

"В нормальных условиях частицы и античастицы уничтожают друг друга, но запутанные майорановские квазичастицы, образованные расщеплением электрона на две половины, являются на удивление стабильными. Кроме того, они помнят, как их перемещали. Это свойство можно использовать для хранения информации", — пишет журналистка Science Alert Мишель Старр.

Для создания и поддержания стабильной работы кубитов, фермионы Майораны нужно разделить таким образом, чтобы они сохраняли свойства частиц и античастиц, даже когда между ними будет значительное расстояние.

Решением этой проблемы занялись физики из Иллинойского и Гамбургского университетов. На днях ученые опубликовали результаты своего исследования, согласно которому они смогли засечь майорановские фермионы и сделали еще один шаг навстречу квантовым компьютерам.

Для того чтобы получить квазичастицу, которую описал Этторе Майорана, физики использовали сверхпроводник из рения. Этот материал не имеет электрического сопротивления при температурах около шести градусов по Кельвину (-267 °C).

Поверх такого сверхпроводника ученые добавили наночастицы из атомов магнитного железа, что позволило создать так называемый топологический узел. "Топологический узел похож на дыру в пончике. Вы можете превратить пончик в кофейную кружку, не теряя его дыру, но если вы хотите уничтожить дыру, вы должны сделать что-то довольно серьезное, например, съесть пончик", — объясняет физик Дирк Морр из Иллинойского университета в Чикаго.

Пропуская поток электронов через сверхпроводник с топологическим узлом, ученые засекли появление фермионов Майораны по краям частиц магнитного железа, — как раз вокруг описанной Морром "дыры пончика".

Фото: Palacio-Morales et al. Science Advances

Яркая круговая линия, которая получилась на изображении, и является квазичастицами, которые могут проявлять свойства частиц и античастиц одновременно. По словам Дирка Морра, следующим шагом для создания квантовых компьютеров должно быть инженерное решение того, как научиться управлять кубитами Майораны и увеличить с их помощью компьютерные мощности.

Помимо использования квазичастиц для создания кубитов, другие ученые собираются произвести еще более вместительные единицы информации — кудиты — с помощью квантовой запутанности фотонов.

Несколько недель назад ученые из Университета Пердью, штат Индиана, опубликовали в журнале npj Quantum Informationисследование, в котором они предложили вместо кубитов использовать кудиты — единицы информации, которые могут находится более чем в двух состояниях одновременно. По их словам, это позволит работать с меньшим количеством кудитов, и при этом производить больше вычислительных мощностей.

Чтобы стабилизировать работу кудитов и поддерживать их квантовое состояние, физики использовали простейшую квантовую запутанность. Ученые из Индианы запрограммировали четыре кудита в двух запутанных фотонах, которые не так легко поддаются влиянию окружающей среды и дольше могут сохранять стабильное состояние.

"Фотоны являются ценными в квантовых вычислениях, потому что их трудно генерировать и контролировать. Так что это идеальное решение — собрать как можно больше информации в каждый фотон", — говорил один из авторов исследования Пулад Имани.

С помощью четырех кудитов и поддержания их стабильности за счет использования запутанных фотонов, ученые создали вычислительные мощности, равные квантовому компьютеру с 20 кубитами. Ранее в этом году компания IBM представила квантовый компьютер с таким же количеством кубитов.

Напомним, украинский школьник стал серебряным призером Олимпиады гениев в США