Kvantti-interferenssillä kohti topologia kvanttitietokoneita

Topologinen kvanttitietokone on edelleen olemassa vain teoriassa, mutta jos mahdollista, se olisi maailman vakain ja tehokkain laskentakone. Se vaatii kuitenkin erityisen kvanttibitin, jota ei ole vielä toteutettu ja manipuloitu.

Perinteisesti elektroneita pidetään jakamattomina perushiukkasia. Silti yllättävä uusi tutkimus osoittaa, että kvanttimekaniikan outoa ominaisuutta voidaan käyttää tuottamaan esineitä, jotka käyttäytyvät kuin puolet elektronista. Nämä "jaetut elektronit" voivat toimia topologisina kubitteina ja voivat sisältää avaimen kvanttilaskennan täyden tehon vapauttamiseen.

Äskettäin julkaistun löydön tekivät professori Andrew Mitchell University College Dublinin (UCD) fysiikan koulusta ja tohtori Sudeshna Sen Intian teknologiainstituutista Dhanbadissa. He ovat teoreettisia fyysikoita, jotka tutkivat nanomittakaavan elektronisien piirien kvanttiominaisuuksia.

"Elektroniikan miniatyrisointi on nyt saavuttanut pisteen, jossa piirikomponentit ovat mitoiltaan vain nanometrejä. Tuossa mittakaavassa pelin säännöt määrää kvanttimekaniikka, ja sinun täytyy luopua intuitiosta asioiden toimivuudesta", sanoi tohtori Senin. "Johteen läpi kulkeva virta koostuu monista elektroneista, ja kun teet lankaa pienemmäksi ja pienemmäksi, voit katsella elektronien kulkevan yksitellen sen läpi. Voimme nyt tehdä jopa transistoreita, jotka toimivat vain yhdellä elektronilla.

Nanokokoisissa elektroniikkapiireissä elektronien välisen "kvantti-interferenssi" ilmiö voi johtaa tiloihin, joissa elektronit näyttävät halkeavan.

Professori Mitchell sanoi: "Nanoelektronisessa piirissä eri reittejä pitkin piirissä kulkevat elektronit voivat interferoida tuhoavasti ja estää virran kulkemisen. Tämä ilmiö on havaittu aiemmin kvanttirakenteissa.

Uusi asia, jonka löysimme, on, että pakottamalla useita elektroneja tarpeeksi lähelle toisiaan, jotta ne hylkivät toisiaan vahvasti, kvantti-interferenssi muuttuu. Vaikka ainoat perushiukkaset piirissä ovat elektroneja, ne voivat kollektiivisesti käyttäytyä ikään kuin elektroni olisi jaettu kahdeksi.

Tuloksena on niin sanottu "Majorana-fermion" - hiukkanen, jonka matemaatikot teoretisoivat ensimmäisen kerran vuonna 1937, mutta jota ei ole vielä eristetty kokeellisesti.

Professori Mitchell jatkaa: "Majoranoja on etsitty paljon viime vuosina, koska ne ovat ehdotettujen topologisten kvanttitietokoneiden keskeinen ainesosa. Olemme saattaneet löytää tavan tuottaa niitä nanoelektroniikan rakenteissa käyttämällä kvantti-interferenssivaikutusta."

Itse asiassa yksi elektroni voi interferoida itseään, aivan kuten aalto, kun se kulkee kahden raon läpi samanaikaisesti kaksoisraon kokeessa. Koska elektronit voivat kulkea kumman tahansa raon läpi, toiselle puolelle nousevat aallot voivat olla vuorovaikutuksessa ja yhdistyä uudelleen monimutkaisilla tavoilla tuottaen interferenssikuvion. Kun yhden aallon huippu törmää toisen aallon pohjaan, ne kumoutuvat - seurauksena on, että elektroni ei pääse kulkemaan läpi.

"Se on sama asia, mitä tapahtuu nanoelektronisessa piirissä", sanoi professori Mitchell. "Kvantti-interferenssin avulla voidaan tuottaa sellaisia kubitteja, joita tarvitsemme tehokkaammille kvanttitietokoneille."

Tutkimus: Many-Body Quantum Interference Route to the Two-Channel Kondo Effect: Inverse Design for Molecular Junctions and Quantum Dot Devices.

Aiheesta aiemmin:

Kvantti-interferenssi ja transistori

Askeleen lähempänä topologista kvanttilaskentaa

Uusia kubittiratkaisuja