DünyaTeknolojiYaşam Tarzı

Kuantum Bilgisayar Atılım: Altın Gizemli Majorana Fermion İlk Nişan

Majorana Fermions Concept

MIT araştırmacılaraltın adalarda gizemli Majorana fermions gözlemledik. Bu keşif, kuantum hesaplaması için yeni sağlam qubit ailesine yol açabilir.

Fizikçilerin keşfi kuantum hesaplamasıiçin yeni bir sağlam qubit ailesine yol açabilir.

MIT ve diğer ülkelerdeki fizikçiler, ortak bir metalin yüzeyinde Majorana fermiyonların -aynı zamanda kendi antiparticle’leri olduğu için teorelenmiş parçacıklar- kanıtlarını gözlemlediler: altın. Bu, Majorana fermions’un potansiyel olarak büyütülebilecek bir platformda ilk görülmesi. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri’ndeyayınlanan sonuçlar, parçacıkları kuantum hesaplaması için kararlı, hatasız qubitler olarak izole etme yolunda atılmış önemli bir adımdır.

Parçacık fiziğinde fermionlar elektronlar, protonlar, nötronlar ve kuarklar içeren temel parçacıklar sınıfıdır ve bunların hepsi maddenin yapı taşlarını oluşturur. Çoğunlukla, bu parçacıklar Dirac fermions olarak kabul edilir, İngiliz fizikçi Paul Dirac sonra, ilk tüm fermionic temel parçacıklar bir muadili olması gerektiğini öngördü, evrende bir yerde, bir antiparticle şeklinde – aslında, zıt yükün tek yumurta ikizi.

1937’de İtalyan teorik fizikçi Ettore Majorana Dirac’ın teorisini genişleterek, fermiyonlar arasında, Majorana fermions adındaki bazı parçacıkların anti partiküllerinden ayırt edilemez olması gerektiğini öngördü. Gizemli bir şekilde, fizikçi sadece bir yıl onun tahmin yaptıktan sonra İtalyan kıyılarında bir feribot gezisi sırasında kayboldu. Bilim adamları o zamandan beri Majorana’nın esrarengiz parçacığını arıyorlar. Nötrinonun Majorana parçacığı olabileceği ileri sürülmüş, ancak kanıtlanmamıştır. Öte yandan, teorisyenler Majorana fermiyonlarının da özel koşullar altında katı larda bulunabileceğini öngörmüştür.

Şimdi MIT liderliğindeki ekip, majorana fermionlarının kanıtlarını tasarladıkları ve imal ettikleri bir malzeme sisteminde gözlemledi. Araştırmacılar adaların yakınındaki yüzeyi taradıklarında, altının en üst yüzeyinde sıfır enerjiye yakın imza ani ani çiviler gördüler.

MIT’nin Fizik Bölümü’nde kıdemli araştırmacı bilim adamı olan Jagadeesh Moodera, “Majorana ferminonlar uzun zamandır görmek için bir rüya olan bu egzotik şeylerdir ve şimdi onları çok basit bir malzemede – altın” diyor. “Orada olduklarını, istikrarlı olduklarını ve kolayca ölçeklenebilir olduklarını gösterdik.”

MIT’de William ve Emma Rogers Fizik Profesörü olan yardımcı yazar Patrick Lee, “Bir sonraki hamle, bu nesneleri alıp qubit’lere dönüştürmek olacak, ki bu da pratik kuantum bilgi işlem yolunda büyük bir ilerleme olacak,” diye ekliyor.

Lee ve Moodera’nın yardımcı yazarları arasında eski MIT postdoc’u ve ilk yazar Sujit Manna (şu anda Delhi’deki Hint Teknoloji Enstitüsü’nde öğretim üyesi) ve Riverside’daki California Üniversitesi’nden eski MIT postdoc Peng Wei ile Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Yingming Xie ve Kam Tuen Law yer almaktadır.

Yüksek risk

Eğer harnessed olabilir, Majorana fermionlar qubits olarak ideal olurdu, ya da kuantum bilgisayarlar için bireysel hesaplama birimleri. Fikir bir qubit Majorana fermions çiftleri kombinasyonları yapılmış olacağını, her biri ortağı ndan ayrılmış olacaktır. Gürültü hataları çiftin bir üyesini etkiliyorsa, diğeri etkilenmeden kalmalıdır, böylece qubitin bütünlüğünü korumalı ve doğru bir hesaplama gerçekleştirmesini sağlar.

Bilim adamları yarı iletkenlerde Majorana fermiyonlarını aradılar, geleneksel transistör bazlı bilgi işlemde kullanılan malzemeler. Araştırmacılar deneylerinde yarı iletkenleri süperiletkenlerle birleştirerek elektronların direnç siz de seyahat edebildiği malzemelerle biraraya getirebiliyor. Bu kombinasyon, fizikçilerin yarı iletkendeki parçacıkları bölmek için ikna etmesi gerektiğine inandıkları geleneksel yarı iletkenlere süperiletken özellikler verir ve Majorana fermion çiftini oluşturur.

Lee, “İnsanların Majorana parçacıklarını gördüklerine inandıkları çeşitli maddi platformlar var.” diyor. “Kanıtlar daha güçlü ve daha güçlü, ama hala yüzde 100 kanıtlanmadı.”

Dahası, bugüne kadar yarı iletken tabanlı kurulumları pratik bir kuantum bilgisayar için gerekli qubits binlerce veya milyonlarca üretmek için ölçeklendirmek zor olmuştur, çünkü yarı iletken malzemenin çok hassas kristaller büyüyen gerektirir ve yüksek kaliteli süperiletkenler içine bunları açmak için çok zor.

Yaklaşık on yıl önce, Lee, onun lisansüstü öğrencisi Andrew Potter ile çalışan, bir fikir vardı: Belki fizikçiler metal Majorana fermiyons gözlemlemek mümkün olabilir, kolayca bir süperiletken ile yakın süperiletken olur bir malzeme. Bilim adamları rutin olarak altın da dahil olmak üzere metalleri süperiletkenlere dönüştürürler. Lee’nin fikri, altının yüzey durumunun -atomların en üst tabakası- süperiletken olup olmadığını görmekti. Eğer bu elde edilebilirse, altın, araştırmacıların Majorana fermiyonlarını gözlemleyebildiği temiz ve atomik olarak hassas bir sistem olarak hizmet edebilir.

Lee, Moodera’nın ferromanyetik yalıtkanlarla yaptığı önceki çalışmalara dayanarak, eğer süperiletken bir altın yüzeyinin üzerine yerleştirilmişse, araştırmacıların Majorana fermionlarının imzalarını açıkça görme şansları olması gerektiğini öne süremle.

Tasarımı gerçekleştirmek için Templeton Vakfı’ndan önemli fonları güvence altına almak için Moodera’nın deneysel grubuyla ortaklık kuran Lee, “Bunu ilk önerdiğimizde, pek çok deneyciyi denemeye ikna edemedim, çünkü teknoloji yıldırıcıydı,” diyor. “Jagadeesh ve Peng gerçekten tekerleği yeniden icat etmek zorunda kaldılar. Bu işe girmek son derece cesurcaydı, çünkü bu gerçekten yüksek riskli, ama yüksek bir ödeme olduğunu düşünüyoruz.”

“Mayorana’yı Bulmak”

Son birkaç yıl içinde, araştırmacılar altın yüzey durumu karakterize ve Majorana fermions gözlemlemek için bir platform olarak çalışabilir kanıtladı, sonra grup Lee yıllar önce öngörülen kurulum imalatı başladı.

İlk olarak, yaklaşık 4 nanometre kalınlığında, altın tabakanın nanowires üzerine süper iletken vanadyum bir levha büyüdü. Altının en üst tabakasının iletkenliğini test ettiler ve vanadyuma yakın bir şekilde süperiletken hale geldiğini buldular. Daha sonra europium sülfür, Majorana fermiyonlar oluşturmak için gerekli iç manyetik alanları sağlamak mümkün bir ferromanyetik malzeme altın nanowires “adalar” üzerine yatırılır.

Ekip daha sonra küçük bir voltaj uyguladı ve araştırmacıların altın yüzeyinde her adanın etrafındaki enerji spektrumlarını taramalarını sağlayan özel bir teknik olan tarama tünel mikroskopisini kullandı.

Moodera ve meslektaşları daha sonra sadece Majorana fermiyonların üretmesi gereken çok özel bir enerji imzasını aradılar. Herhangi bir süper iletken malzemede, elektronlar belirli enerji aralıklarında seyahat ederler. Ancak hiçbir elektron olması gereken bir çöl, ya da “enerji boşluğu” vardır. Eğer bu boşluğun içinde bir artış varsa, büyük ihtimalle Majorana fermions’un imzası dır.

Verilerine bakıldığında, araştırmacılar manyetik alanın yönü boyunca çeşitli adaların zıt uçlarında bu enerji açığının içinde majorana fermion çiftlerinin açık imzaları olan ani artışlar gözlemlediler.

Moodera, “Bu artışı sadece teorinin öngördüğü gibi adanın zıt taraflarında görüyoruz.” diyor. “Başka bir yerde göremezsin.”

Lee, “Görüşmelerimde Majorana’yı altın denizindeki bir adada bulduğumızı söylemek isterim.” diye de ekliyor.

Moodera, takımın sadece üç katman gerektiren kurulumunun -ferromıknatıs ve süperiletken arasında sıkışmış altın- qubit üretmek için geleneksel, yarı iletken tabanlı yaklaşımlara kıyasla ekonomik olarak ölçeklenebilir olması gereken “kolay ulaşılabilir, istikrarlı bir sistem” olduğunu söylüyor.

“Majorana fermions bir çift görmek bir qubit yapma yolunda önemli bir adımdır,” Wei diyor. “Bir sonraki adım bu parçacıklardan bir qubit yapmak, ve şimdi bunu yapmak hakkında gitmek için bazı fikirler var.”

Referans: Sujit Manna, Peng Wei, Yingming Xie, Kam Tuen Hukuk, Patrick A. Lee ve Jagadeesh S. Moodera, 6 Nisan 2020, Proceedings of the National Academy of Sciencestarafından “Superconducting altın yüzey devletlerin Majorana sıfır modları bir çift İmza”
DOI: 10.1073/pnas.1919753117

Bu araştırma kısmen John Templeton Vakfı, ABD Deniz Araştırmaları Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilmiştir.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu