Microsoft kuantum bilişimde büyük buluş: kuantum sistemi veya melek parçacıkları var
28 Mart'ta Microsoft, büyük bir kuantum hesaplama buluşunu duyurdu: bir telde elektronlar iki yarıya bölünür.
Microsoft araştırmacıları, elektronların tellerinde ikiye bölündüğü "melek parçacıkları" olarak bilinen Majorana fermiyonlarının varlığına dair oldukça güçlü kanıtlar gözlemlediler.
Microsoft çalışan bir kuantum bilgisayar kurmak istiyorsa, bu çok önemli olacaktır.
IBM, Google, Intel (ve hatta bazı yeni başlayanlar) gibi büyük şirketler, çoklu kübitli kuantum bilgisayarlar oluşturdular. Microsoft geride görünüyor, bir kübit bile üretmedi! Ancak Microsoft, rakiplerinin başına bela olan büyük bir zorluğun üstesinden gelmek için fiziksel beyin eritme mekanizmasını birleştiren kendi kuantum bilgisayarını geliştiriyor. Her şey yolunda giderse, bu çok önemli bir ilerleme olacaktır.
Bu, fizikçilerin Majorana parçacıklarından gelen en net sinyali keşfetmek için kullandıkları cihazdır. Ortadaki gri çizgiler nanotellerdir ve yeşil alanlar süper iletken alüminyum çubuklardır. Kredi: Hao Zhang / QuTech
Kuantum bilgisayarlar, kuantum fiziğine, yani mikroskobik parçacıkların fiziğine dayanan bilgisayarlardır. Kuantum bilgisayarlar, sıradan bilgisayarlar için zor veya imkansız olan hesaplamaları yapmak için kullanılır. Google 72 kübit bilgisayarlar bildirmesine rağmen, bunlar daha az doğru kübitlerdir. Dış ortamdan gelen küçük titreşimler veya enerji, hesaplama hatalarına neden olabilir. Ancak Microsoft'un "topolojik" kuantum bilgisayarı gürültüyü büyük ölçüde azaltabilir. Microsoft araştırmacıları, Nature'da yayınlanan makaleler de dahil olmak üzere bu yıl bir dizi önemli ilerleme kaydetti. Bu yıl bitmeden çalışma kubitleri alacaklarına inanıyorlar.
Microsoft'un kuantum bilişim iş geliştirme direktörü Julie Love, birkaç hafta önce verdiği bir röportajda şunları söyledi: "Kübitlerimizden biri 1.000 veya hatta 10.000 gürültülü kübit kadar güçlü olacak."
Bilgisayarlar hesaplama birimi olarak bitleri, yani ikili bitleri kullanır.Örneğin, bir bozuk para önde veya arkada olabilir. Bir kuantum bit veya kübit, hesaplama sırasında madalyonun kara bir kutuya çevrilmesi dışında aynıdır. Madalyonun her iki yüzüne, liseden a + bi şeklinde karmaşık sayılar gibi bazı başlangıç değerleri belirleyebilirsiniz. İşlem sırasında, girdi madalyonunun tura veya yazı olma olasılığı. Sadece kutuyu açarak madalyonun değerini bilebilirsiniz. Hesaplama, kutuya aynı anda birkaç bozuk para koyarak ve bunların belirli bir şekilde etkileşime girmesine izin vererek yapılır, böylece yukarıdaki başlangıç değeri matematiksel olarak etkileşime girecektir. Şimdi, çıktı tüm madeni paralarla ilgilidir, belirli tura ve yazı kombinasyonlarını daha fazla olasılık ve diğer kombinasyonlar için daha az olasılık yapar.
Bu sistem, gelişmiş kimyasal simülasyon, yapay zeka vb. Birçok şey için kullanılabilir. Ancak kilit nokta, iki durumun üst üste binme (kara kutu), dolanma (madeni paraları bağlama) ve girişim (madeni paralar kutuya dolanmışsa) oluşturabileceği kuantum "ön ve arka" sistemi bulmaktır. Değişiklikler). Ayrıca, kutuyu dürtseniz veya bu itmeyi telafi etmek için fazlalıklar oluşturmanın bir yolunu bulsanız bile madeni paraların dönmeye devam edeceği başka bir sistem bulmalısınız.
Microsoft araştırmacıları, bu sorunun üstesinden gelmenin anahtarının topolojik sistem olduğuna inanıyor. Bu bir mühendislik sistemidir, onu nasıl değiştirirseniz değiştirin, bazı doğal özelliklerini koruyacaktır. Bu özellikler topolojik nesnelerdir (topolojik nesneler).
Araştırmacıların önce topolojik nesnelerini oluşturmaları gerekir. Microsoft, özel olarak indiyum antimonidden yapılmış ve süper iletken alüminyumla sarılmış bir yarı iletken tel üretti. Manyetik bir alanda, bu teli sıfır dereceye kadar soğutmak, elektronların toplu bir davranış oluşturmasına neden olur ve bu da bazı elektronik özellikleri ayrı değerler sergilemeye zorlar.
Topolojik kübitin şematik diyagramı: Microsoft
Kuantum bilgisi bu sistemde depolanacak, ancak tek tek parçacıklarda değil, tüm telin toplu davranışında saklanacak. Telleri manyetik bir alanda manipüle etmek, elektronların yarısının veya daha doğrusu elektron olacak ancak elektron olmayan parçacıkların yarısının iki ucun iki ucunda yer almasına neden olabilir. Bu sözde Majorana fermiyonları veya Majorana sıfır modları, sistemin kolektif topolojik davranışı ile korunur. Birini telin etrafında diğerini etkilemeden hareket ettirebilirsiniz.
Bu Majorana sıfır modları ayrıca iki kübit durumu oluşturur. Onları bir araya getirirseniz, ya sıfır olurlar ya da tam bir parçacık olurlar.
Bu, Microsoft bilim adamları tarafından bildirilen ilerlemedir: Elektronların tellerinde yarıya bölündüğü bu Majorana sıfır modlarının varlığının oldukça güçlü kanıtlarını gözlemlediler.
Esasen Microsoft, her iki ucunda da yarı yarıya elektron bulunan bir atom sistemi geliştirdi. Elektron yarılarından birini hareket ettirdiğinizde, özel ayarları kuantum gürültüsü tarafından bozulmayacaktır. Bu iki elektronik yarıyı bir araya getirin ve iki kübit durumundan birini elde edersiniz: evet veya hiçbir şey.
Ancak bu sadece daha az statik bir sistem yaratır. Kuantum hesaplamayı gerçekleştirmek için yapılacak daha çok şey var. Microsoft ve Delft Teknoloji Üniversitesi araştırmacısı Leo Kouwenhoven Gizmodo ile yaptığı röportajda, "Değişimin etkisinin Abelian olmayan istatistikleri göstermesi için iki Majorana'yı birbirine yaklaştırmamız gerekiyor" dedi. Abelian anyonlar, özel istatistiksel yasaları nedeniyle topolojik kuantum hesaplamada önemli uygulamalara sahiptir.
Majorana parçacıklarını bir şekilde manipüle etmemiz gerekiyor.
Sözde "non-abel", Majorana parçacıkları üzerinde iki farklı işlem gerçekleştirirseniz ve işlemlerin sırasını değiştirirseniz, farklı sonuçların döndürüleceği anlamına gelir. Örneğin telefonu sola sonra sağa çevirirseniz bir sonuç alırsınız; ancak telefonu sağa sonra sola çevirirseniz başka bir sonuç alırsınız. Bu, Abel olmayan bir dizi işlemdir. Basitçe ifade etmek gerekirse, Majorana parçacıklarını farklı şekillerde değiştirirseniz, farklı ölçüm sonuçları elde edebilirsiniz.
Teknik olarak konuşursak, kuantum hesaplamaları için en az dört Majorana parçacığı gereklidir. 4 parçacığın hepsinin "H" nin dört köşesinde düzenlendiğini ve ortada iki özel telle birbirine bağlı olduğunu varsayalım. Önce üstteki iki Majorana parçacığını değiştirin ve ardından alttaki ikisini değiştirin Ölçülen sonuç, alt ikisinin ve sonra üst ikisinin değiş tokuşundan farklı olacaktır.
Bu değişim eylemine örgü denir. Temel olarak, yukarıda belirtildiği gibi kara kutuda birbirine bağlanmış madeni paralardır. Bunun Abel olmaması olmasının nedeni, fizik yasalarının her parçacığın tamamen aynı olmasını şart koşmasıdır. Yani, bu sistemi sıradan elektroniklerle kurmak ve değiştirmek, daha önce olanlar hakkında hiçbir bilgi bırakmayacaktır. Bununla birlikte, bu Majorana parçacıklarının Abelyen olmayan doğasını kullanmak, daha önce olanların hafızasını muhafaza ettikleri anlamına gelir, bu da araştırmacıların kübitleri ayırt etmelerine ve hesaplamalarına olanak tanır.
Topolojik bir kuantum bilgisayarın (Topolojik Kuantum Bilgisayar) avantajı, sıradan kuantum bilgisayarlara göre dış gürültüye karşı daha dirençli ve daha sağlam olmasıdır. Son yıllarda 'topolojik kuantum bilgisayar' kavramının ortaya çıkmasıyla birlikte Majorana fermiyonları geniş ilgi gördü.
Araştırmacılar dokumayı deneylerle henüz göstermediler, ancak Microsoft Quantum Research başkan yardımcısı Todd Holmdahl, bu keşfi bir yıl içinde gerçekleştirmeyi umduklarını söyledi.
Kouwenhoven, bu topolojik kübitlerin diğer kübitlerin yapabildiği her şeyi henüz başaramadığını belirtmenin önemli olduğunu söyledi. İki kuantum halinin tüm olası kombinasyonları bir küre üzerindeki noktalar olarak kabul edilirse, bu değişim işlemleri küredeki her noktaya ulaşamaz. Ancak Kouwenhoven, "Bir planımız var" ima etti.
Araştırmaya dahil olmayan fizikçiler birkaç nedenden dolayı bu konuda heyecanlandılar. Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi Fizik Bölümü'nde doçent olan Smitha Vishveshwara, Gizmodo'ya şunları söyledi: "Bu makalenin önemli olduğunu düşünüyorum." Örgünün biraz zaman alacağına inanıyor: "Hala birçok adımın uygulanması gerekiyor. Ama. Ne zaman yeni bir adımı onaylasam, bunu çok heyecan verici buluyorum. "
Fizik konusunda da aynı derecede heyecanlıydı. Bu "Majorana parçacıklarının" başlangıçta boş uzayda kendi antiparçacıkları şeklinde var oldukları varsayılıyordu. Boş uzayda hiçbir Majorana parçacığı bulunamadı, ancak simülasyonlarının bunun gibi sistemlerde havalı olduğu bulundu.
Hiç şüphe yok ki Microsoft, kuantum bilgisayarların çalışmasını sağlamak için yüksek mühendislik ürünü sistemlerde yeni fizik keşfetmek için milyonlarca dolar yatırım yaptı. Bu aynı zamanda Microsoft'un neden henüz etkileşimli kübitler yapmadığını, ancak kuantum donanımı ve kuantum bilgisayar yazılımı geliştirme kitleri geliştirdiğini bir anlamda açıklıyor.
Microsoft, her şeyi çalıştırabilirse, daha iyi yeteneklere sahip olacağından ve rakiplerini hızlı bir şekilde yakalayabileceğinden emin. Love, "Diğerlerinden daha kararlı bir sabit kübitimiz var" dedi. "Tuğladan bir ev inşa edebilirsiniz, ancak tuğlalar gökdelen yapamaz. Kuantumumuz çelik gibi yüksek binalar inşa edebilir."
İlgili araştırma Nature dergisinin bir sayısında yayınlandı.
Bu çalışmanın üç iş arkadaşının ikisi Çinli, yani Zhang Hao, Chun-Xiao Liu ve Sasa Gazibegovic olduğunu belirtmekte fayda var. Bunların arasında Zhang Hao (aşağıda resmedilmiştir) Pekin Üniversitesi Fizik Bölümü'nden mezun oldu ve doktorasını Duke Üniversitesi'nden aldı ve şu anda TUDelft'te doktora sonrası araştırmacı. Chun-Xiao Liu da Çinli ve kurumu Maryland Üniversitesi.
