שער רומן עשוי להגביר את כוחם של מחשבים קוונטיים מבוססי מיורנה

Words at War: The Hide Out / The Road to Serfdom / Wartime Racketeers (יולי 2019).

Anonim

למחשבים קוונטיים יש פוטנציאל גדול, אך הם נשארים קשים לבנייה, שכן המרכיבים הבסיסיים שלהם - מערכות קוונטיות אינדיווידואליות כמו אטומים, אלקטרונים או פוטונים - שבירים. רקע חסר רחמים ורועש מפציץ ללא הרף את נתוני המחשב.

גישה תיאורטית מבטיחה אחת, הידועה בשם מחשוב קוונטי טופולוגי, משתמשת בקבוצות של חלקיקים מיוחדים המוטלים על מטוס כדי להילחם בהסתערות סביבתית זו. החלקיקים, המתעוררים רק בחומרים בעלי מבנה קפדני, מוחזקים בנפרד זה מזה, כך שהמידע שהם מאחסנים מתפשט בחלל. בדרך זו, המידע מוסתר מסביבתו הרועשת, אשר נוטה לשבש אזורים קטנים בכל פעם. מחשב כזה יבצע חישובים על ידי הזזת החלקיקים זה סביב זה במטוס, ויצירת צמות מורכבות עם השבילים שהם עוקבים בחלל ובזמן.

למרות הראיות עבור חלקיקים אלה נמצא בניסויים, מגוון שימושי ביותר נמצא עד כה מופיעים רק בקצות חוטים זעירים ולא יכול בקלות להיות קלוע אחד סביב השני. אולי גרוע יותר עבור האפשרות של מחשוב קוונטי היא כי חלקיקים אלה אינם תומכים במלוא העוצמה של מחשב קוונטי כללי - אפילו בתיאוריה.

כעת, חוקרים ב- JQI ומרכז תורת החומר המורכבת (CMTC) באוניברסיטת מרילנד, כולל עמיתים של JQI Sankar Das Sarma וג'יי דיפ סאו, הציעו דרך להפרדת שתי הבעיות הללו. על ידי הוספת תהליך נוסף מעבר לקליעה רגילה, הם גילו דרך לתת לגזע מסוים של חלקיקים טופולוגיים את כל הכלים הדרושים כדי להפעיל כל חישוב קוונטי, כל זאת תוך עקיפת הצורך לצמה בפועל. הצוות תיאר את הצעתם בחודש שעבר ב- Physical Review X (הקישור הוא חיצוני).

ההצעה החדשה ממשיכה קו מחקר שהחל ב- JQI ו- CMTC ב -2010. שני מאמרים באותה שנה, ששותפו על ידי Das Sarma ו Sau, היו בין הראשונים שקראו כיצד להשתמש בפרמיונים של מיורנה - חלקיקים אקזוטיים שהונחו לראשונה בשנת 1937 - כבסיס עבור מחשב קוונטי טופולוגי. ניירות אלה הציעו הן פלטפורמה לחישוב קוונטי באמצעות החלקיקים והן את הניסוי שבו ניתן למצוא אותם. הניסויים זיהו מאז חתימות של חלקיקים על ממשקים של חומרים מסוימים, מערכות דומות לאלה המוצעים על ידי קבוצת JQI.

ממשקים אלה נקראים שוב בעבודה החדשה, אשר מסתמך על הפיזיקה של חוט מוליך למחצה דק ממוקם על גבי מוליך-חומר המאפשר זרמים חשמליים לזרום ללא הפרעה. הנוכחות של החוט יכול לשנות את ההתנהגות הקוונטית של מוליך בדרכים מעניינות.

"בדרך כלל, במוליכי-על, קיים מחסום בפני מספר מוזר של אלקטרונים", אומר דייויד קלארק, חוקר פוסט-דוקטורט ב- CMTC והכותב הראשון של המאמר. הסיבה לכך היא שבמוליכי-על אלקטרונים קשורים בזוגות. אבל, מסביר קלארק, הוספת חוט דק על גבי מוליך יכול ליצור מקלט עבור אלקטרונים בודדים. כאשר אלקטרון אחד תופס את החוט, פרמיונים מיוראנה נמצאים בשני הקצוות שלה. נוכחותם או היעדרם של פרמיוני מיורנה מאחסנים קוביט אחד - יחידת הזיכרון הבסיסית של מחשב קוונטי.

עם זאת, גם אם פרמיונים של מיורנה בקצות החוטים היו קל לצמה זה סביב זה, הם עדיין לא יתמוך מחשב קוונטי אוניברסלי - מכשיר מסוגל לבצע כל חישוב קוונטי או מדמה מחשב קוונטי אחר.

כדי לעקוף את זה, קלארק ועמיתיו ממליצים להשתמש באינטראקציה קוונטית בין מטענים אלקטרוניים ומערבולות מערבולות של שדות מגנטיים, שניתן להכניס אותם בצורה מבוקרת למערכת. תופעה המכונה "אפקט אהרונוב-כשר" גורמת למצב הקוונטי של מטען - כגון פרמיון מיורנה - להשתנות כאשר מערבולת מגנטית מטיילת סביבו. למרבה ההפתעה, שינוי זה שונה אם מערבולת נוסע מעל המטען מאשר אם הוא נוסע מתחתיו.

בעיתון, הצוות מציע מערך פיזי לשימוש בהשפעה בניסוי. כפי שמוצג באיור לעיל, שלושה מוליכים - אחד עם חוט מוליך למחצה - מקיפים חור. באזור ריק זה, הצוות מדמיין בעדינות את השדה המגנטי. כאשר השדה עולה, הוא שואב במערבולת מגנטית אחת, ואקום אותו דרך אחד משני צמתים. קלארק אומר שהוא בדרך כלל חושב על מערבולות כמו בא מחוץ מוליכי, אם כי המוצא הפיזי שלהם בצמתים בין האיים מוליך.

חשוב לציין, התהליך אינו חושף איזה צומת מערבולת עובר דרך. אם אפשר היה לומר, הפעולה לא תיצור שער קוונטי שימושי בקוויט המאוחסן בחוט. אבל מכיוון שאין דרך לדעת לאיזה נתיב נדרש להיכנס לאזור הריק, יש להתייחס אליו כאל חלקיק קוונטי עם הסתברות לקחת כל אחד מהם. תנועה קוונטית זו גורמת להפרעה בין שני השבילים ומייצרת שער לוגי שימושי בקוויט של מיורנה.

השער החדש - את הפרטים של הניסויים אשר היו מכוונים על ידי התאמת פקדים חשמליים - ניתן לשלב עם אלה שנוצרו על ידי braiding Majorana אפס מצב חלקיקים לעשות כל חישוב קוונטי שרירותי. המאמר דן כיצד ההצעה יכול להיות scaled עד וכולל qubits רבים ואפילו כיצד לבצע חישוב קוונטי במערכת זו מבלי לעשות כל braiding. זה מסתמך על "מדידה בלבד" הגישה שבה חלקיקים הם החליפו קלוע על ידי ביצוע רצפים של מדידות על qubits השכנות.

הצוות גם מציין כי השיטה שלהם בעדינות הופכת שדה מגנטי אינו תלוי התזמון המדויק של כל אות חשמל, תכונה שהופכת אותו חסין מפני שגיאות כי לקלקל הצעות אחרות על בסיס מצבי אפור Majorana.

הצוות בודק ציון דרך אחד כמבחן הראשון של הטכניקה שלהם עובד: יצירת הסתבכות לאימות בין שני qubits. "היכולת לבצע את השערים הלא קלועים האלה נחוצה כדי לאפשר חישוב קוונטי", אומר קלארק. "המבחן שאנו מציעים הולך צעד אחד קדימה, ויראה כי השער שהופק הוא גם מספיק עבור חישוב קוונטי, בהתחשב קליעה ומדידה."

menu
menu