Çinli bilim adamları tarafından önemli keşif: Majorana anyon ilk kez demir bazlı süper iletkende ortaya çıktı
1937'de İtalyan fizikçi Ettore Majorana, antiparçacığı kendisi olan bir tür sihirli parçacık öngördü. Ancak 80 yıl geçti ve azimli fizikçiler bu tür "melek parçacıkları" arayışına geri döndüler.
Ancak yakın zamanda, 17 Ağustos'ta, en iyi uluslararası dergi "Science" yayınlandı Ding Hong-Gao Hongjun Ekibi, Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi yayınlanan makaleler. Makalede ekip dünyaya büyülü bir keşif gösterdi: Majorana'nın bağlı durumu (veya sıfır enerji modu) ilk olarak demir bazlı süper iletken malzemelerde keşfedildi.
Bu gözlem, "Tanrı" parçacıkları (Higgs bozonu), nötrinolar ve gravitonların keşfedilmesinden sonraki bir başka gözlemdir. Dönüm noktası keşfi Yukarıdaki madde, manyetik tek kutup, karanlık madde vb. İnsanlığın en çok hayalini kurduğu gizemli parçacık . Aynı zamanda parçacığın kuantum bilgisayarlarda önemli potansiyel uygulamaları olduğu için, Aynı zamanda insanlığın kuantum bilgisayar problemini fethetmesinde önemli bir adımdır. .
Şekil | Science'ın 16 Ağustos'ta yayınlanan makalesi (Kaynak: Screenshot of Science'ın resmi web sitesi)
Bu çalışmada, FeTe0.55Se0.45 tek kristal iki bağımsız He-3 aşırı düşük sıcaklık ve güçlü manyetik alan taramalı tünelleme mikroskobu ile gözlemlenmiştir. Farklı tünel kavşakları, manyetik alanlar ve sıcaklıklar altında Majorana bağlı durumundaki malzemenin davranışını doğrular . Gözlem sonuçları teorik tahminlerle tutarlıdır Bu, Majorana'nın bağlı durumunun ilk net gözlemidir. Aynı zamanda deneysel sonuçlar da Sıvı helyum sıcaklığının Majorana bağlı durum kontrolünü gerçekleştirme imkanı sağlar .
Bu araştırmayı gerçekleştirmek için yalnızca güçlü He-3 aşırı düşük sıcaklık ve güçlü manyetik alan taramalı tünelleme mikroskobuna güvenmekle kalmaz, aynı zamanda Ding Hongun araştırma grubu, bu alanda dünyanın ileri araştırma gruplarıyla uzun yıllar derinlemesine işbirliği yapmıştır. . Daha 2014 yılında Ding Hong'un araştırma ekibi, Dirac konisinin yüzey durumunun ön işaretlerini buldu. Bundan sonra, Ding Hong'un araştırma grubu, topolojik bant özelliklerinin gözlemini daha da genişletmek için ultra yüksek çözünürlüklü açı çözümlemeli fotoelektron spektroskopisini kullanmak için Japonya'daki Tokyo Üniversitesi ile işbirliği yaptı. Ek olarak, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Stanford Üniversitesi'ndeki Zhang Shousheng araştırma ekibi, teorik hesaplamalar yoluyla Majorana sınır eyaleti için uygun koşulları da tahmin etti. Bu çalışmalar, Majorana'nın bağlı durumunun keşfi ve doğrulanması için teorik ve deneysel bir temel sağlar.
Sadece temel parçacıkların keşfi böyle bir sansasyona neden olmaz. Ancak Majorana fermiyonları, topolojik kuantum hesaplama teknolojisinin anahtarıdır ve en temel topolojik kübitleri oluşturabilirler. . Genel olarak konuşursak, Majorana fermiyonları topolojik süperiletkenlerde bulunur ve benzersiz özelliklere sahiptir - kuantum serbestlik dereceleri 1/2 gibi tam sayı olmayan sayılara eşit olabilir. Başka bir deyişle, yalnızca iki Majorana fermiyonu bir kübit oluşturabilir, bu nedenle Çevrenin rastgele etkilerinin aynı anda Majorana'nın fermiyonlarını etkilemesi zordur ve kübitlerin yüksek doğruluğu ve kararlılığı garanti edilir. . Bu nedenle, bunlardan oluşan topolojik kuantum bilgisayarların da daha büyük yetenekleri olacaktır.
(Kaynak: Pixabay)
Aslında, kuantum bilgisayarların hesaplama gücü zaten çok güçlü. Yalnızca hesaplama gücü açısından, 64 bitlik bir kuantum bilgisayarın hızı, dünyanın en hızlı "Tianhe-2" süper bilgisayarının hızının 545 trilyon katı olacaktır. başka bir deyişle, Yüz milyonlarca değişken içeren bir denklem sistemi bu kadar hızlı bir şekilde çözülürse, "Tianhe-2" 100 yıl alırken, bir trilyon kuantum bilgisayar teorik olarak sadece 0.01 saniye sürer. .
Böyle bir süper güç, kuantum bilgisayarların benzersiz depolama ve çalışma kurallarından gelir. Geleneksel bilgisayarlarda, temel depolama ve hesaplama birimi elektronik bitlerdir ve bir rakam iki durumdan sadece birini, yani "0" veya "1" saklayabilir. Ancak kuantum bilgisayarların depolanması ve çalıştırılması, bir tür kübitlere dayanmaktadır. Üst üste binme durumunu saklayabilen operasyon depolama birimi . İçinde saklanan bilgiler "yarı ölü" kedi gibidir. Kutuyu açmadan önce, kedinin ölü mü diri mi olduğunu bilemezsiniz. Durumu "ölü" ve "canlı" nın üst üste binmesi, ancak bir kez Açıldıktan sonra durumu onaylanır. Kutuyu açma şeklinizin, alacağınız bilgileri de belirlediği söylenebilir. Aynı şey kübitlerin saklanması için de geçerlidir, Depolanan, birden çok durumun üst üste gelmesidir .
(Kaynak: Pixabay)
Örneğin, N fiziksel bit içeren bir bellek düşünün.Klasik bir bellek ise, yalnızca 2N olası veriden herhangi birini depolayabilir; bir kuantum bellek ise, aynı anda 2N sayı depolayabilir ve N arttıkça, bilgi depolama yeteneği katlanarak artacaktır. Günümüzün kuantum bilgi işlem devlerinin yüksek rakamlı kuantum bilgisayarları yakalamak için yarışmalarının nedeni de budur. Daha fazla bilim insanı, yaklaşık 50 kubit ile kuantum bilgisayarların "kuantum üstünlüğü" elde edebileceğini, yani geleneksel bilgisayarları geçebileceğini tahmin ediyor. Ve dünyanın en büyük bilgisayar devlerinin peşinde olduğu şey de bu. IBM, Google, Intel ve diğer şirketler kendi multi-qubit kuantum bilgisayarlarını başlattılar.
Genel olarak konuşursak, bir kuantum bilgisayarın özü, temel depolama ve hesaplama birimi kübitleridir. Elektronik bitlerin aksine, kübitler basit transistörlerden oluşamaz, sonuçta çok fazla bilgi depolarlar. Günümüzde iyon tuzakları, süper iletken devreler, elmas renk merkezleri, yarı iletken kuantum noktaları vb. Gibi birçok kübit taşıyıcı vardır. ve Hepsinin sınırları var , Ya hazırlanması özellikle zordur ya da kullanım koşulları çok ağırdır ve sadece basit kübit oluşturabilirler, işlem hataları olasılığı vardır, Bu aynı zamanda kuantum hesaplamanın başarılmasının zor olmasının ana nedenlerinden biridir. .
Gerçekte, kuantum hesaplama, doğadaki diğer tüm işlemler gibi, rastgele bir süreçtir ve rastgele süreçte "gürültü" vardır. Özellikle, kübitlerin çalıştığı ultra düşük sıcaklık ortamında, Daha derin bir kuantum fiziği sürecinden kaynaklanan hafif bir termal dalgalanma veya rastgele dalgalanmalar, kübit durumunun ters dönmesine veya rastgele hale gelmesine neden olarak hesaplamanın başarısız olmasına neden olabilir. . Ve eğer hata düzeltmesi yapmazsanız veya hesaplamayı durdurmazsanız, bu hatanın sonucu her zaman kübitede bulunacak ve her zaman üst üste bindirilecektir.
Genel olarak konuşursak, bir kuantum bilgisayarın bir kübiti, hesaplanmasına yardımcı olmak için birden çok hata düzeltme kübitine ihtiyaç duyar. Ancak bu şekilde, tüm hesaplama gücü hata düzeltme için kullanılabilir. Bin düşmanı öldürmenin ve sekiz yüz kişiyi kendi kendini yenilgiye uğratmanın bu tür bir yöntemi elbette mümkün değil. Maryland Üniversitesi Kuantum Bilgi ve Bilgisayar Bilimi Ortak Merkezi'nin eş başkanı Andrew Childs şunları söyledi: Mevcut hata oranı, yapılabilecek hesaplamaların uzunluğunu açıkça sınırlıyor. Gelişmiş hesaplamalar yapmak istiyorsanız, önce onlarla ilgilenmelisiniz. İyi soru."
Şekil | Ettore Majorana (Kaynak: Wikipedia)
şu anda, Majorana sıfır enerji modunun ve topolojik süperiletkenliğin ortaya çıkmasının başka bir kapıyı açtığı söylenebilir. , Topolojik süperiletkenlerdeki bu tür egzotik yarı parçacık uyarımı topolojik kübitler oluşturabilir "Efsane" Kuantum Bit . Neden hata yapmıyorsun? Topolojik süperiletken nedir? Majorana'nın sıfır enerji modeli nedir? Topolojik kübitler neden "gürültü" problemini çözebilir? Bu, "topoloji" kelimesiyle başlar.
Matematikte, topoloji esas olarak, geometrik nesnelerin düzgün dönüşüm altında, örneğin gerilme ve büzülme gibi sürekli deformasyon, ancak yüzeyi kesme veya bağlamadan değişmezliğini inceler.Bu dönüşümden önceki ve sonraki geometrik nesnelerin topolojik olarak eşdeğer olduğu kabul edilir. , Bir topolojik değişmezlik var. Aslında, topoloji uzunluk ve açı gibi yerel özelliklere dikkat etmez, sadece global özelliklere dikkat eder ve global topolojik özellikler yerel tedirginlikler tarafından değiştirilmez. Fiziksel sistemde, çevresel müdahale esas olarak yerel etkileşim şeklinde meydana gelir, bu da topolojik fiziksel sistemin çevreden korunabileceği anlamına gelir. Hataya dayanıklı bir kuantum hesaplama olarak topolojik kuantum hesaplama resmi olarak 2003 civarında önerildi.
Peki topolojik kübitleri nasıl elde edersiniz? Bu sorunun anahtarı, Majorana'nın sıfır enerji modu ve topolojik süperiletkenliğidir. Aslında üç boyutlu (veya üç boyutludan fazla) uzay-zamanda parçacıklar karşılıklı değişimin yarattığı etkilere göre ikiye ayrılır: Bozon ve Fermion, bunlar fermiyon veya bozondur. Fermiyonlar Fermi-Dirac dağılımını (Fermi-Dirac istatistiği) ve bozonlar Bose-Einstein dağılımını (Bose-Einstein istatistiği) izler.
En basit örneği ele alalım, iki parçacıklı bir kuantum sistemi Bir parçacık diğer parçacığın etrafında döner Sistemin kuantum durumu bu işlemden önce ve sonra değişmez Bu, iki parçacığın iki değiş tokuşuna eşdeğerdir. işletme. Aslında, bir değişim işlemi gerçekleştirirken, sistemin kuantum durumunun dalga fonksiyonunun fazının izin verilen değişim değerleri, sırasıyla bozonlara ve fermiyonlara karşılık gelen 0 ve 'dir. İki boyutlu uzay söz konusu olduğunda durum farklıdır, iki tip arasında anyon belirir. Ve anyonlar değişmeli ve değişmeli olmayan olmak üzere iki kategoriye ayrılır, ilki karşılıklı değişim altında sistem kuantum durum dalga fonksiyonunda keyfi bir fazı değiştirecek ve ikincisi karşılıklı değişim altında kuantum halinin değişmesine yol açacaktır.
(Kaynak: Pixabay)
Özellikle, Abelian olmayan anyonlar için, kuantum hesaplamaları yapmak için karşılıklı değişim altındaki kuantum hallerindeki değişiklikleri kullanırız. Majorana sıfır enerji modülleri veya Majorana fermiyonları arasındaki değişim, Abelian olmayan anyonların istatistiksel özelliklerine uygundur, böylece Kubitlerimiz olarak bir çift Majorana fermiyonu kullanın . Bu şekilde, bir kübit ikiye bölünebilir ve çok uzaktaki iki Majorana fermiyonunda saklanabilir.
Majorana fermiyonları anyonlardır ve varlıkları topoloji ile korunur.Yerel çevresel müdahale bir randomonu yok edemez ve bu Majorana fermiyon çiftindeki bilgiler kolayca yok edilemez. ve Geleneksel gürültünün bu iki Majorana fermiyonunu aynı anda aynı şekilde etkilemesi, yani yerel alan şeklinde sisteme etki eden çevresel gürültüyü ortadan kaldırması zordur. bu nedenle Majorana fermiyonlarından oluşan kübitlerin "hata" olasılığı teorik olarak son derece düşüktür.Geleneksel depolama yöntemleriyle karşılaştırıldığında, bu depolama yöntemi son derece kararlıdır. .
Genel olarak, bu aslında fiziğin farklı alanlarındaki birçok tartışma ve beklentiyle karıştırılmış çok karmaşık bir konudur. Majorana'nın bağlı durumlarını keşfetmekten kararlı ve kullanılabilir topolojik süperiletkenler yapmaya ve topolojik süperiletkenlerden topolojik kuantum bilgisayarlara kadar hala uzun bir yol var. Bu sadece başlangıç, sıfırdan heyecan verici, ancak ondan sonraki yol her seferinde bir adım atmalı.
