Темпоральные кристаллы и квазичастицы, называемые майорановскими фермионами, неоднократно мелькали в новостных заголовках в последние годы. Все из-за их крайне странной природы. В итоге ученые решили, что их совмещение для создания квантового компьютера — идеальный «брак».
Теоретический союз двух удивительных феноменов предложили ученые из Национального университета Сингапура, заметившие между ними сходства, которыми можно воспользоваться в топологическом квантовом компьютере. Прежде чем мы продолжим говорить об этом феноменальном миксе, стоит разобраться в основах.
Прежде всего, темпоральные кристаллы похожи на обычные кристаллы тем, что они тоже основаны на повторяющихся единицах. Но вместо того чтобы растягиваться на три измерения в пространстве, они со временем повторяются. Очень необычна тут независимость резонанса движений частиц от постоянного источника энергии. Однако до того, как вы воскликните «Вечный двигатель!», следует знать, что темпоральные кристаллы не могут быть источником независимой энергии, так что они не нарушают никаких правил. Тем не менее эта особенность может сыграть важную роль в хранении информации, если привести кристаллы в так называемые магические состояния.
И вот тут ученым должны помочь майорановские фермионы. Существование этих частиц было предсказано 80 лет назад физиком-теоретиком Этторе Майорана. Он утверждал, что такие гипотетические элементарные частицы суть свои же античастицы. Более того, они являются типом фермионов — частиц с полуцелым значением спина. Если вкратце, то из них состоят атомы.
Почти за век исследований ученым не удалось наблюдать эти особые частицы Ферми в естественных условиях. Но современной науке известен другой феномен — электроны, чье взаимодействие создает нечто очень похожее на майорановские фермионы.
Фермионы Майораны — точнее, их квазичастичные двойники — можно заставить двигаться необычным образом во время их следования через проводник. Это «сплетенное» движение делает их идеальными кандидатами для создания топологической версии квантового компьютера. Тогда как обычная квантовая машина зависит от неопределенного состояния частицы — ее потенциального спина — для создания своего ключевого компонента, топологический квантовый компьютер, напротив, использует эти «косы».
«Грубо говоря, «коса» означает обмен положениями двух частиц, — сказал физик Цзянбин Гун в интервью Phys.org. — В реальной жизни нам известно, что существуют разные типы «кос» и что конверсия одной «косы» в другую требует определенных операций, которых нет в естественных условиях».
«Косы» не настолько хрупки, как другие квантовые состояния, что делает их очень привлекательными для использования в основе квантовых вычислений. Суть в использовании этих майорановских фермионов, чтобы построить рабочее устройство. Создание этих частиц из темпоральных кристаллов может стать очень хорошим вариантом для достижения этой цели.
Исследователи смоделировали поведение сетки частиц, действующих как темпоральные кристаллы, и направили на их грани электроны в форме квазичастиц Майорана. Воздействие на эти особые частицы заставило их действовать так, как если бы они сплетались, приведя к состояниям, которые могут стать основой для операций в универсальном квантовом компьютере.
«Сплетение темпоральных кристаллов может быть потенциально полезным для квантовых вычислений, так как мы используем их особенности временной области и тем самым получаем больше кубитов для кодирования информации», — говорит Гун.
Больше кубитов — меньше железа. Добавьте сюда процессы, наименее подверженные ошибкам, и вы получите очень выгодные и практичные топологические квантовые компьютеры на основе темпоральных кристаллов. Далее ученые собираются исследовать способы наращивания этого процесса, переместив «косы» в массив проводов для создания более сложных шаблонов.
Наука
Владимир Гильен
