QC资讯丨奇异的量子粒子作为量子计算的构建模块的成像-量子客
A.在一个铼表面聚集的一个铁原子单层。B.使用扫描隧道显微镜拍摄的Majorana费米子沿着铁边缘的亮线图像。

伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的研究人员与德国汉堡大学的同事合作,拍摄了一种名为Majorana费米子的奇异量子粒子的图像,这种粒子可以作为未来量子比特的构建模块,并最终实现量子计算机。他们的研究结果发表在《科学进展》杂志上。

50多年前,英特尔首席执行官Gordon Moore观察到计算机芯片上的晶体管数量每隔18至24个月就会翻一番。这种趋势,现在被称为摩尔定律,一直延续至今,导致晶体管的尺寸仅为几纳米——十亿分之一米。在这个尺度上,构成我们现有计算机工作基础的经典物理定律不再发挥作用,取而代之的是量子力学定律。因此,将晶体管做得更小(过去这样做是用于提高计算速度和数据存储)已不再可能。

除非研究人员能够弄清楚如何使用量子力学作为下一代计算机的新基础。

这是Richard Feynman于1982年提出的基本观点。Richard Feynman是20世纪最具影响力的理论物理学家之一。人们不是使用经典计算机的位(bit)来存储以0和1编码的信息,而是设计量子比特(qubit),利用量子力学定律来存储0到1之间的任何数字,从而指数倍地提高计算速度,并最终带来量子计算机的诞生。

“通常,当你丢弃手机时,它不会删除你手机上的信息。”UIC物理学教授Dirk Morr说,他也是该论文的通讯作者,“这是因为以位1和0来存储信息的芯片相当稳定。将1变成0需要花很多功夫,反之亦然。但是,在量子计算机中,由于量子比特存在无限数量的可能状态,信息可能更容易丢失。”

为了形成更强大更可靠的量子比特,研究人员转向了Majorana费米子——一种仅成对出现的量子粒子。

“每个量子比特我们只需要一个Majorana费米子,因此我们必须将它们彼此分开。” Morr说。

通过从一对Majorana费米子构建量子比特,只要Majoranas保持足够远的距离,信息就可以被可靠地编码。

为了实现这种分离,并对单个Majorana费米子进行“成像”,有必要创建一个“拓扑超导体”——一个既能传导电流而又不损失任何能量的系统,同时又被绑在一个“拓扑结”上。

Morr说:“这个拓扑结类似于甜甜圈上的洞:你可以将甜甜圈变形成一个咖啡杯而不会破坏这个洞,但是如果你想破坏这个洞,你必须做一些非常戏剧性的事情,比如吃掉甜甜圈。”

为了建立拓扑超导体,Morr在汉堡大学的同事在铼(一种超导体)的表面上放置了一个磁性铁原子岛,直径只有几十纳米。Morr的小组曾预测,通过使用扫描隧道显微镜,人们应该能够将Majorana费米子成像为沿着铁原子岛边缘的一条亮线。这正是实验小组观察到的现象。

“能够实际可视化这些奇异的量子粒子,使我们离构建鲁棒性的量子比特又近了一步,最终将建成量子计算机。”莫尔说,“下一步将是弄清楚我们如何在量子芯片上设计这些Majorana量子比特,并操纵它们以获得计算能力的指数级增长。这将使我们能够解决我们今天面临的许多问题,从对抗全球变暖和预测地震,到通过无人驾驶汽车缓解交通拥堵,以及创建一个更可靠的能源网络。”

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