In einem Sprung nach vorne für Quantum Computing stellte ein Microsoft-Team von UC Santa Barbara Physicists am Mittwoch einen topologischen Quantenprozessor mit acht Qubit vor, dem ersten seiner Art. Der Chip, der als Proof-of-Concept für das Design der Wissenschaftler gebaut wurde, öffnet die Tür für die Entwicklung des lang erwarteten topologischen Quantencomputers.
„Wir haben eine Reihe von Sachen, die wir unter Verschluss gehalten haben, die wir jetzt auf einmal fallen lassen“ Microsoft. Der Chip wurde auf der jährlichen Konferenz von Station Q in Santa Barbara enthüllt und begleitet eine in der Zeitschrift veröffentlichte Zeitung NaturErstellt von Station Q, ihren Microsoft -Teamkollegen und einer Vielzahl von Mitarbeitern, die die Messungen des Forschungsteams dieser neuen Qubits vorstellen.
„Wir haben einen neuen Zustand der Materie geschaffen, der als topologische Supraleiter bezeichnet wird“, erklärte Nayak. Diese Phase der Materie beherbergt exotische Grenzen, die als Majorana Zero -Modi (MZM) bezeichnet werden, die für das Quantencomputer nützlich sind, erklärte er. Die Ergebnisse der strengen Simulation und der Prüfung ihrer Heterostrukturgeräte stimmen mit der Beobachtung solcher Zustände überein. „Es zeigt, dass wir es schaffen, es schnell tun und genau tun“, sagte er.
Die Forscher verfolgten ihr Naturergebnis auch mit einem Papier, das derzeit in Preprint eine Roadmap zur Skalierung ihrer Technologie in einen voll funktionsfähigen topologischen Quantencomputer beschreibt.
Majorana Magie
Das Versprechen von Quantum Computing liegt in der Geschwindigkeit und Leistung seiner Berechnungen und wird erwartet, dass er selbst den fortschrittlichsten klassischen Supercomputer übertroffen wird. All dies beruht auf dem Qubit, der Quantum Computing -Version des Bits, der grundlegenden Informationseinheit für klassische Computer. Während klassische Bits nur in einem Zustand von Null oder einem existieren, können Qubits Null, eine und Kombinationen dazwischen darstellen.
Qubits können in verschiedenen Formen vorhanden sein, wobei das Quantenverhalten von eingeschlossenen Ionen beispielsweise oder Photonen verwendet wird. Topologische Systeme basieren auf einer anderen Art von Partikel, die als Anyon, einer Art „Quasipartikel“ bezeichnet wird, der als Ergebnis der korrelierten Zustände vieler interagierender Partikel an der Oberfläche eines Materials entsteht, in diesem Fall ein supraleitierendes Nanodraht.
Was das topologische Quantencomputer zu einem so heißen Forschungsfeld macht, ist, dass es mehr Stabilität und Robustheit für Fehler verspricht als andere Quantencomputersysteme. Qubits können fehleranfällig sein und Quantum-Computer-Bauherren verpflichtet, dies zu berücksichtigen, indem sie beispielsweise mehr Qubits für fehlerkorrigieren erstellen.
„Ein komplementärer Ansatz besteht darin, die Fehlerkorrektur auf Hardwareebene aufzubauen“, sagte Nayak. Da die Quanteninformationen eher über ein physikalisches System als in einzelnen Partikeln oder Atomen gespeichert sind, erklärte er, dass die Informationen, die von den topologischen Qubits behandelt wurden, ihre Kohärenz weniger verliert, was zu einem fehlertoleranteren System führt.
Aber nicht nur ein Quasipartikel. Für topologische Quantencomputer sind Majorana -Partikel – insbesondere Majorana -Nullmodi – das Werkzeug der Wahl. Diese Partikel sind nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana benannt, der sie 1937 voraussagte, und sind insbesondere ihre eigenen Antipartikel und können im Laufe der Zeit ein „Gedächtnis“ ihrer relativen Positionen behalten. Indem Sie sie „flechten“ – sie physisch umeinander bewegen – ist es möglich, eine robustere Quantenlogik zu erstellen.
Die Forscher realisierten diese Partikel durch die Platzierung eines Indium -Arsenid -Halbleiter -Nanodrahts, der einem Aluminium -Superkonferenz sehr nahe an der Aluminium -Superkonferenz ist. Unter den richtigen Bedingungen wird der halbleitende Draht überschärft und tritt in eine topologische Phase ein. MZMs tauchen an den Enden des Drahtes auf, während der Rest des Drahtes eine Energielücke aufweist. „Je größer diese topologische Lücke“, betonte Nayak, „desto robuster ist die topologische Phase.
„Das Überraschende ist, wenn Sie die Lücke größer machen, wird sie nicht nur robuster, sondern Sie werden möglicherweise schneller und können möglicherweise alles ein wenig verkleinern, sodass Sie nicht für Ihre Treue mit der Größe bezahlen.“
Mit acht Qubits ist der topologische Prozessor der Forscher ein bloßer Embryo in der Welt der Quantencomputer, markiert jedoch einen großen Meilenstein in der jahrzehntelangen Suche der Wissenschaftler, um einen topologischen Quantencomputer zu entwickeln. Auf dem Weg, sagte Nayak, gab es fruchtbare Partnerschaften zwischen der Station Q und der Universität, insbesondere im Bereich der Schaffung der Materialien, die topologisches Quantenverhalten beherbergen.
„Chris Palmstrom war manchmal Mitarbeiter und er hat in solchen Materialien wichtige Fortschritte erzielt“, sagte er über den Experten für elektronische Materialien, während der Materialwissenschaftler Susanne Stemmer ihr Fachwissen mit Herstellungsprozessen beisteuerte. Station Q hat auch viele Studenten in sein Team engagiert, und vor allem, wie Nayak, wurde das Halbleiter-Heterostrukturkonzept aus den Nobelpreis-Ideen des verstorbenen Kroemer-Preises geboren, der Professor am Department of Electrical and Computer Engineering war.
„Es gibt eine lange Geschichte von Fachwissen und Talent bei UCSB in solchen materiellen Kombinationen und in dieser wirklich modernsten Materialwissenschaft, die neue Arten von Physik eröffnet, die wir tun können.“
