Экзотическая частица, которая может наконец сделать квантовые компьютеры надежными
Квантовые компьютеры обещают революционизировать вычисления, решая задачи, непосильные для классических машин. Однако их разработка сталкивается с серьезной проблемой: кубиты, базовые элементы квантовых вычислений, чрезвычайно чувствительны к внешнему “шуму”. Этот шум вызывает ошибки, делая масштабные квантовые вычисления ненадежными. Недавнее исследование предлагает потенциальное решение этой проблемы с помощью экзотических квазичастиц — нулевых мод Майораны (НММ). Ученые разработали новую, более стабильную платформу для их создания и управления.
Проблема квантовой нестабильности
Современные кубиты, будь то на сверхпроводящих контурах или ионах в ловушках, страдают от явления под названием декогеренция. Любое взаимодействие с окружающей средой — тепловые флуктуации, электромагнитные поля — может разрушить хрупкое квантовое состояние кубита. Это приводит к ошибкам в вычислениях. Хотя существуют методы коррекции ошибок, они требуют огромного количества дополнительных кубитов, что усложняет создание мощных квантовых компьютеров.
Нулевые моды Майораны: ключ к стабильности?
Нулевые моды Майораны (НММ) — это гипотетические квазичастицы, которые ведут себя как собственная античастица. В теории, они могут существовать на концах определенных одномерных сверхпроводящих систем. Их уникальное свойство заключается в топологической защите. Информация, закодированная в паре НММ, хранится не локально в одной точке, а распределена по системе. Потому локальные возмущения не могут легко разрушить квантовое состояние. Это делает НММ идеальными кандидатами для создания отказоустойчивых кубитов.
Однако создать условия для надежного появления и разделения НММ оказалось сложной задачей. Предыдущие эксперименты часто давали неоднозначные результаты. Шум и дефекты в материалах могли имитировать сигналы, похожие на НММ.
Новая платформа: Трехузельная цепь Китаева
Исследователи из Института Нильса Бора Копенгагенского университета и Microsoft Quantum разработали новую экспериментальную установку. Она основана на теоретической модели, известной как цепь Китаева.
Установка представляет собой цепочку из трех `квантовых точек`, соединенных `сверхпроводящими связями`. Квантовые точки — это крошечные полупроводниковые островки, способные удерживать отдельные электроны.
* Квантовые точки: Служат “узлами” цепи.
* Сверхпроводящие связи: Обеспечивают необходимые условия для формирования НММ.
Ключевое нововведение — использование именно трехузельной (трех сайтов) цепи. В простейшей двухузельной цепи Китаева НММ должны возникать на самых концах. Но из-за конечной длины цепи они могут взаимодействовать и терять свою топологическую защиту.
Третий узел в центре цепи действует как настраиваемый барьер. Тщательно подбирая параметры системы (например, электрические поля), ученые смогли:
1. Надежно генерировать НММ: Система демонстрировала четкие признаки присутствия НММ.
2. Увеличить разделение НММ: Третий узел позволил “раздвинуть” НММ дальше друг от друга.
3. Повысить устойчивость к шуму: Большее пространственное разделение значительно снизило нежелательное взаимодействие между НММ и их чувствительность к локальным помехам.
Шаг к отказоустойчивым квантовым компьютерам
Результаты эксперимента показывают значительный прогресс. Создание стабильной, управляемой платформы для НММ — важный шаг на пути к топологическим квантовым вычислениям. В таких системах операции над кубитами (логические гейты) выполняются путем “переплетения” (braiding) НММ в пространстве-времени. Теоретически, такие операции также будут топологически защищены от ошибок.
Хотя до создания полномасштабных топологических квантовых компьютеров еще далеко, эта работа демонстрирует принципиальную возможность. Она подтверждает, что сложные теоретические модели, такие как цепь Китаева, могут быть реализованы на практике. В итоге, это открывает путь к созданию более надежных и мощных квантовых вычислительных систем будущего. Успешное управление НММ может стать основой для нового поколения квантовых технологий.