Майорановский фермион — частица, являющаяся собственной античастицей. Ее предсказали теоретически, но до сих пор не обнаружили.
Однако физики оперируют квазичастицами со свойствами такого фермиона и рассматривают их так, будто фермионы Майораны существуют в твердом теле как коллективное возбуждение. Такую квазичастицу называют майорановской модой. Компания Microsoft надеется построить на них процесс квантовых вычислений своего недавно представленного чипа Majorana 1.
С этими фермионами связана модель цепи Китаева. При особых условиях одномерная сверхпроводящая цепочка частиц или квазичастиц порождает по одному изолированному фермиону Майораны на каждом своем конце, полная энергия системы при этом не изменяется. Короткие цепи Китаева уже существуют — их создали из полупроводниковых нанопроволок с квантовыми точками. Ученые рассматривают длинную цепочку Китаева как концептуальную основу для создания топологических кубитов, защищенных от локальных возмущений.
Физики изучили потенциал коротких цепочек Китаева и пришли к выводу, что их чувствительность — не проблема, а полезное свойство. Исследование об этом опубликовали в издании Journal of Physics: Condensed Matter.
Цепочки Китаева минимального размера с нетопологическими майорановскими состояниям называют «майорановским фермионом для бедных» из-за такого количества ограничений и их топологической незащищенности. Это не фермион Майорана в полном смысле, но близкое к нему состояние квантовой системы.
«Бедные Майораны» очень чувствительны к локальным возмущениям. По мнению исследователей, эту уязвимость стоит рассматривать как особое свойство системы, на основе которого можно создать квантовый сенсор.
«Мы рассматриваем минимальные цепочки всего из двух квантовых точек, соединенных сверхпроводящим сегментом. В этой минимальной цепочке две майорановские моды находятся только на концах лишь в одной конкретной конфигурации системы. В других конфигурациях они могут перекрываться, распределяться между двумя квантовыми точками или даже исчезать при небольших изменениях электростатического потенциала на двух квантовых точках», — рассказали исследователи.
Такое устройство будет работать на эффекте перелива. При локальном возмущении волновая функция майорановской моды перетекает из одной квантовой точки в другую. Традиционно перелив рассматривали как нежелательный эффект, но ученые смогли показать, что его можно контролировать с через магнитную связь со спином другой частицы. Спектральная структура, порождаемая этим переливом, напрямую зависит от квантовой природы спина исследуемой частицы, то есть так можно определить ее тип.
Ученые считают, что могут построить на этом эффекте сенсор, а в перспективе и квантовый логический вентиль на эффектах переплетения и слияния, считывать квантовые состояния системы без их разрушения.