Обдурити фізику. Вчені розробляють квантовий комп’ютер з античастинок

31 липня 2019, 20:00

Фізики з США і Німеччини отримали зображення частинки, яка одночасно є своєю античастинкою. Вивчення цього феномена уможливить створення необхідного матеріалу для квантових комп’ютерів.

Найдосвідченіші і найбагатші технологічні компанії світу мізкують над створенням перших робочих квантових комп’ютерів. Суть цієї технології полягає в тому, що комп’ютери нового покоління будуть використовувати кубіти як мінімальні одиниці інформації.

Відео дня

На відміну від звичних нам бітів, кубіти можуть перебувати у двох станах одночасно і обробляти набагато більше інформації. Головною проблемою створення кубітів залишається нестабільність технологій, що існують для цього, і надзвичайно низькі температури, за яких частки надпровідних матеріалів можуть переходити у квантовий стан і виробляти необхідні електричні імпульси.

Імовірним розв’язанням проблеми стабільності квантових комп’ютерів може бути використання ферміонів Майорани — частинок, які одночасно є своїми античастинками. Цей парадокс описав італійський фізик Етторе Майорана майже сто років тому, а тепер вчені з усього світу сподіваються використовувати майоранівські ферміони на практиці.

Як повідомляє Science Alert, такі ферміони можуть діяти як кубіти, перебуваючи в квантовій суперпозиції і передаючи відразу кілька електричних імпульсів у вигляді інформації.

«У нормальних умовах частинки і античастинки знищують одне одного, але заплутані майоранівські квазічастинки, утворені розщепленням електрона на дві половини, є напрочуд стабільними. Крім того, вони пам’ятають, як їх переміщали. Цю властивість можна використовувати для зберігання інформації», — пише журналістка Science Alert Мішель Старр.

Для створення і підтримки стабільної роботи кубітів, ферміони Майорани потрібно розділити таким чином, щоб вони зберігали властивості частинок і античастинок, навіть коли між ними буде значна відстань.

За розв’язання цієї проблеми взялися фізики з Іллінойського і Гамбурзького університетів. Днями вчені опублікували результати свого дослідження, згідно з яким вони змогли засікти майоранівські ферміони і зробили ще один крок назустріч квантовим комп’ютерам.

Аби отримати квазічастинку, яку описав Етторе Майорана, фізики використовували надпровідник з ренію. Цей матеріал не має електричного опору за температур близько шести градусів за Кельвіном (-267 °C).

Поверх такого надпровідника вчені додали наночастинки з атомів магнітного заліза, що дозволило створити так званий топологічний вузол. «Топологічний вузол схожий на дірку в пончику. Ви можете перетворити пончик на кавову чашку, не втрачаючи його дірку, але якщо ви хочете знищити дірку, ви маєте зробити щось досить серйозне, наприклад, з'їсти пончик», — пояснює фізик Дірк Морр з Іллінойського університету в Чикаго.

Пропускаючи потік електронів через надпровідник з топологічним вузлом, вчені засікли появу ферміонів Майорани по краях часток магнітного заліза, — якраз навколо описаної Морром «дірки пончика».

Palacio-Morales et al. Science Advances
Фото: Palacio-Morales et al. Science Advances

Яскрава кругова лінія, яка вийшла на зображенні, і є квазічастинками, які можуть проявляти властивості частинок і античастинок одночасно. За словами Дірка Морра, наступним кроком для створення квантових комп’ютерів має бути інженерне вирішення того, як навчитися керувати кубітами Майорани і збільшити за допомогою них комп’ютерні потужності.

Крім використання квазічастинок для створення кубітів, інші вчені збираються провести ще більш місткі одиниці інформації — кудіти — за допомогою квантової заплутаності фотонів.

Кілька тижнів тому вчені з Університету Перд’ю, штат Індіана, опублікували в журналі npj Quantum Information дослідження, в якому вони запропонували замість кубітів використовувати кудіти — одиниці інформації, які можуть перебувати більш ніж у двох станах одночасно. За їхніми словами, це дозволить працювати з меншою кількістю кудітів, і водночас виробляти більше обчислювальних потужностей.

Щоб стабілізувати роботу кудітів і підтримувати їхній квантовий стан, фізики використали найпростішу квантову заплутаність. Вчені з Індіани запрограмували чотири кудіти в двох заплутаних фотонах, які не так легко піддаються впливу навколишнього середовища і довше можуть зберігати стабільний стан.

«Фотони є цінними у квантових обчисленнях, тому що їх важко генерувати і контролювати. Тож це ідеальне рішення — зібрати якомога більше інформації в кожен фотон», — казав один з авторів дослідження Пулад Імані.

За допомогою чотирьох кудітів і підтримки їх стабільності за рахунок використання заплутаних фотонів, вчені створили обчислювальні потужності, що дорівнюють квантовому комп’ютеру з 20 кубітами. Раніше цьогоріч компанія IBM презентувала квантовий комп’ютер з такою ж кількістю кубітів.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X