W skoku do obliczeń kwantowych zespół Microsoft prowadzony przez fizyków UC Santa Barbara w środę zaprezentował ośmio-kwadkowy topologiczny procesor kwantowy, pierwszy tego rodzaju. Chip, zbudowany jako dowód koncepcji projektu naukowców, otwiera drzwi do rozwoju długo oczekiwanego komputera kwantowego.
„Mamy wiele rzeczy, które trzymamy w okładach, które od razu upuszczamy” – powiedział dyrektor Microsoft Station Q, Chetan Nayak, profesor fizyki na UCSB i techniczny stypendystę Quantum Hardware w Microsoft. Chip został ujawniony na dorocznej konferencji stacji Q w Santa Barbara i towarzyszy artykułowi opublikowanej w czasopiśmie Nature, autorstwa Station Q, ich kolegów z Microsoft Team i wielu współpracowników, które przedstawiają pomiary tych nowych kubitów.
„Stworzyliśmy nowy stan materii zwany topologicznym nadprzewodnikiem” – wyjaśnił Nayak. Wyjaśnił, że ta faza materii zawiera egzotyczne granice zwane trybami zerowymi majorana (MZM). Wyniki rygorystycznej symulacji i testowania ich urządzeń heterostruktury są zgodne z obserwacją takich stanów. „To pokazuje, że możemy to zrobić, zrobić to szybko i zrobić to dokładnie” – powiedział.
Naukowcy śledzili również swój wynik natury, a artykuł w ramach przedruku przedstawił mapę drogową do zwiększenia ich technologii do w pełni funkcjonalnego topologicznego komputera kwantowego.
Magia majorana
Obietnica obliczeń kwantowych polega na prędkości i mocy jego obliczeń, oczekuje się, że przewyższy nawet najbardziej zaawansowany klasyczny superkomputer. Wszystko to spoczywa na qubicie, wersji obliczeń kwantowych bitu, podstawowej jednostce informacji dla komputerów klasycznych. Podczas gdy klasyczne bity istnieją tylko w stanie zero lub jednego, kubity mogą reprezentować zero, jedną i kombinacje pomiędzy nimi.
Kubity mogą być w różnych postaciach, wykorzystując na przykład zachowania kwantowe uwięzionych jonów lub fotonów. Układy topologiczne oparte są na innym rodzaju cząsteczkach zwanych Anyonem, rodzajem „quasiparticle”, który pojawia się w wyniku skorelowanych stanów wielu oddziałujących cząstek na powierzchni materiału, w tym przypadku nadprzewodzącego nanoprzewodu.
Tym, co sprawia, że komputer topologiczny jest tak gorącym dziedziną badań, jest to, że obiecuje większą stabilność i niezawodność błędu niż inne systemy obliczeń kwantowych. Kybity mogą być podatne na błędy, wymagające od budowniczych komputerów kwantowych, aby uwzględnić go, na przykład budując więcej kubitów do poprawy błędów.
„Podejście uzupełniające się jest budowanie korekcji błędów na poziomie sprzętu” – powiedział Nayak. Ponieważ informacje kwantowe są rozpowszechniane i przechowywane w systemie fizycznym, a nie w poszczególnych cząstkach lub atomach, wyjaśnił, informacje obsługiwane przez kubity topologiczne są mniej prawdopodobne, że utracą spójność, co powoduje bardziej odporne na uszkodzenia system.
Ale nie tylko jakakolwiek quasiparticle. W przypadku topologicznych obliczeń kwantowych cząstki majorana – dokładniej trybów zerowych majorana – są wybranym narzędziem. Nazwa na cześć włoskiego fizyka Ettore Majorana, który przewidział je w 1937 r., Te cząsteczki są wyjątkowe, ponieważ są własnymi przeciwkładnikami i są w stanie zachować „pamięć” swoich względnych pozycji w czasie. Poprzez ich „splatanie” – przesuwając je fizycznie wokół siebie – możliwe jest stworzenie solidniejszej logiki kwantowej.
Naukowcy zdali sobie sprawę z tych cząstek poprzez umieszczenie nanoprzewnicy arsenidów indu, bardzo blisko glinu nadprzewodnika. W odpowiednich warunkach drut półprzewodnikowy staje się nadprzewodzący i wchodzi w fazę topologiczną. MZM pojawiają się na końcach drutu, podczas gdy reszta drutu ma szczelinę energii. „Im większa ta szczelina topologiczna” – zauważył Nayak – tym bardziej solidna jest faza topologiczna.
„Zaskakującą rzeczą jest to, że gdy zwiększasz lukę, nie tylko staje się bardziej solidna, ale potencjalnie idziesz szybciej i być może trochę zmniejszasz wszystko, aby nie płacić za swoją wierność z rozmiarem”.
W ośmiu kubitach procesor topologiczny naukowców jest zwykłym zarodkiem w świecie komputerów kwantowych, ale oznacza główny kamień milowy w dziesięcioleciach naukowców w celu opracowania topologicznego komputera kwantowego. Po drodze Nayak powiedział, że istniały owocne partnerstwa między stacją Q a uniwersytetem, szczególnie w dziedzinie tworzenia materiałów, które organizują topologiczne zachowania kwantowe.
„Chris Palmstrom czasami był współpracownikiem i dokonał ważnych postępów w tego rodzaju materiałach” – powiedział ekspert od materiałów elektronicznych, podczas gdy naukowiec Materials Susanne Stemmer przyczyniła się do swojej wiedzy specjalistycznej w procesach wytwarzania. Stacja Q zatrudniła również wielu studentów do swojego zespołu i co ważne, dodał Nayak, koncepcja heterostruktury półprzewodnikowej narodziła się z nagradzanych Nobla pomysłów zmarłego Herb Kroemera, który był profesorem na Departamencie Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej.
„W UCSB istnieje długa historia wiedzy i talentu w tego rodzaju kombinacjach materiałowych, a na tej naprawdę najnowocześniejszej nauce materiałowej, która otwiera nowe rodzaje fizyki, które możemy zrobić”.