Bilim adamları "melek parçacıkları" keşfetti ve Majorana fermiyonları 80 yıl sonra ortaya çıkacak ve bu Microsoft için kuantum hesaplamanın temel teknik engellerini kırabilir.
Büyük bir bilimsel keşif neredeyse Çin medyasının çoğunu süpürdü: Bilim adamları "melek parçacığı" -Majorana fermiyonunu keşfettiler.
Bilim adamları daha dün, Majorana fermiyonlarının gerçekte var olduğuna dair kanıt bulduklarını söylediler! Araştırma California Üniversitesi ve Stanford Üniversitesi tarafından tamamlandı.İki üniversitenin araştırma ekiplerine sırasıyla Profesör Xia Jing, Profesör Wang Kanglong ve Profesör Zhang Shousheng başkanlık etti. Bunlar arasında, Profesör Zhang Shousheng'in ekibi deneysel planı formüle etmekten sorumludur ve Kaliforniya Üniversitesi ekibi de gerçek deneyden sorumludur Araştırma, bu ayın 20'sinde Science dergisinde yayınlandı.
Bu keşif, fiziksel dünyada ve "melek parçacıkları" aurasında gerçekten önemlidir. "Görünmez" bir yararlanıcı varsa, o Microsoft olabilir. Aslında, teknoloji devleri arasındaki en ileri rekabet olan kuantum hesaplamada Microsoft, "çok az insanın izlediği bir yol" seçti: Bir kuantum bilgisayar, Majorana fermiyonlarını kübit olarak değiştirerek gerçekleştirilir.
Bu aynı zamanda, dünkü bilimsel araştırmanın yayınlanmasından önce, yani fizik topluluğunun bu tür parçacıkların gözlemlenebileceğinden% 100 emin olduğu anlamına gelir. Kuantum bilgisayarları gerçekleştirmek için bu tür parçacıkları planlamaya ve kullanmaya çoktan başladı.
Şekil | Majorana fermiyonları (mavi, kırmızı, mor) bir süperiletken katmana sahip topolojik bir yalıtıcıda hareket eder. Elektron (yeşil) topolojik yalıtkanın kenarında hareket eder
Aslında, Microsoft'un kuantum hesaplama projesi 2004 gibi erken bir tarihte başladı. O zamanlar Microsoft'ta teknoloji ve araştırma stratejisi başkan yardımcısı olan Craig Mundie, 2005 yılında Station Q'da kurulan kuantum hesaplama araştırma ekibinin oluşumundan tek başına sorumlu olan Microsoft bilim adamı ve topoloji ustası Michael Freedman'ın tavsiyesini kabul etti.
O zamanlar Microsoft'un bir kuantum bilgisayar geliştirme planı yoktu, ancak Craig Mundie bunun kesinlikle farkındaydı. Geleneksel bilgisayarları yıkmak için yeni bir bilgi işlem yöntemi olması kaçınılmazdır. Dönüm noktası 2012'de Hollandalı fizikçilerin ultra düşük sıcaklık yarı iletken kristallerde Majorana fermiyonlarının olası varlığına dair kanıt bulmasıyla geldi - bu da Craig Mundie ve Michael Freedman'ı Amerika Birleşik Devletleri'nde çok heyecanlandırdı.
Daha sonra Craig Mundie şunları hatırladı: "Bu çok kritik bir an, çünkü bu keşif Microsoft'un kuantum bilgisayar yolunun yolunu gösteriyor!"
Şekil | Microsoft bilim adamı ve topoloji uzmanı Michael Freedman
Kasım 2016'ya kadar, Microsoft'un resmi web sitesi, on yıldan fazla bir süredir kuantum bilgisayarların araştırma ve geliştirilmesine ayrıldığını belirten bir makale yayınladı.Araştırma sonuçlarını uygulamaya koymanın ve Microsoft'un kuantum hesaplama mühendisliğinin bir prototipini oluşturmanın zamanı geldi. Ve Microsoft, on yılı aşkın birikimden sonra, bunun Google ve IBM'i yenebilecek bir kuantum hesaplama prototipi olabileceğini iddia ediyor.
Hiç şüphe yok ki Microsoft bu zor kübit hazırlamak için büyük bir iddiaya girmiştir. Aslında, Majorana fermiyonuna dayanan bu tür kübit, yüksek güvenilirliğe sahiptir.Mühendislik açısından, Genişletme ve seri üretime ulaşmak kolaydır. Aynı zamanda, bu tür bir kübit bir tür üst kübittir ve topolojik kuantum hesaplama teorisine göre, topolojik kübit, geleneksel kübit bilgilerini temizlemek için yeterli olan harici rahatsızlıktaki güvenilirliğini hala koruyabilir.
Bununla birlikte, iş kübit olarak hangi malzemenin kullanılacağına gelince, Google ve IBM, Microsoft'tan tamamen farklı bir teknik koz kartı benimsedi. Süper iletken tel döngülerini kübit olarak kullanın. Öyleyse, eski iki şirket için bu sefer keşfettiklerimiz "Melek Parçacıkları" Aranmaya daha da uygun "Şeytan Parçacığı" .
Şekil | IBM tarafından Mayıs ayında piyasaya sürülen en son 17 kübit çip
Aslında, Majorana fermiyonu tamamen yeni bir kavram değil, geçmişi 1928'e kadar izlenebilir. O sırada fizikçi Paul Dirac, Dirac denkleminden böyle bir teori önerdi: Evrendeki her temel parçacığın göreceli bir antiparçacığı vardır Karşıt parçacıklar, karşılık gelen parçacıklarla kesinlikle aynı olan kütle, ömür, dönüş vb. "Her zaman pozitif" parametrelere sahiptir, ancak yükleri karşılık gelen parçacıkların zıttıdır. .
Dirac'ın tahmininden birkaç yıl sonra, dünyanın ilk antimadde "pozitronu", fizik dünyasında antiparçacık ve antimadde kavramının hızla ısınmasına neden olan deneylerde keşfedildi.
1937'de İtalyan fizikçi Ettore Majorana (Ettore Majorana), Dirac denkleminin düzeltilmesine dayanan başka bir bakış açısı ortaya koydu: bilim adamı, fermiyon adı verilen parçacıklarda (protonlar dahil) Nötronlar, elektronlar, nötrinolar ve kuarklar), parçacıkların bir tür artıları ve eksileri olmalıdır Başka bir deyişle, bu özel parçacığın karşı parçacığı kendisidir. O zamandan beri bu parçacığın adı "Majorana Fermion" (Majorana fermiyonları).
Şekil | Parçacık fizikçisi Ettore Majorana
Bu fizik efsanesinin deneyimi de bu görünmez parçacıklara oldukça benziyor: 1938'de, Mayorana fermiyonunun önerilmesinden bir yıl sonra, tüm banka hesaplarını aldı ve bir feribota bindi. , O zamandan beri kayboldu.
Peki, Majorana fermiyonlarının büyülü nitelikleri nelerdir? Bu fermiyonlarla başlamalı. Fizikte insanlar maddenin hayali en küçük ve en temel birimini "temel parçacıklar" olarak adlandırırlar. Maddenin özelliklerini değiştirmeden en küçük madde hacmidirler ve aynı zamanda çeşitli nesnelerin kompozisyonunun temelini oluştururlar. Temel parçacıklar iki türe ayrılır: sırasıyla Amerikalı fizikçi Fermi ve Hintli fizikçi Bose'den sonra adlandırılan fermiyonlar ve bozonlar.
Resim | Amerikalı fizikçi Enrico Fermi (solda), Hintli fizikçi Satyandra Bose (sağda)
Bunların arasında, fermiyonlar genellikle yarım tek sayıda spin (1 / 2'nin tek katı) olan tüm parçacıkları ifade eder ve Pauli uyumsuzluk ilkesini izler, yani bir sistemde aynı anda iki kuantum durumu (spin gibi) olamaz. . Standart Modelde, nötrinolar dışındaki tüm fermiyonlar, düşük enerjili durumlarda, yani antiparçacıklı fermiyonlarda Dirac fermiyonları gibi davranacaktır.
Majorana fermiyonu bir tür fermiyondur. Parçacık ve ona karşılık gelen karşı parçacık zıt yüke sahip olduğundan ve Majorana fermiyonunun karşıt parçacığının kendisi olduğundan, Majorana fermiyonunun yükü sıfırdır.
Bilim adamları bir zamanlar Majorana fermiyonlarını keşfetmeye çok yakındı. Standart modeldeki tüm temel fermiyonlar yüklü olmasına ve bu nedenle Majorana fermiyonlarının özelliklerini karşılamamasına rağmen, nötrino salınımını açıklamak için kullanılan sağ elini kullanan nötrino, Majorana fermiyonlarının özelliklerine sahip olabilir. Bilim adamları bunu teorik olarak son derece küçük nötrino kütlelerini açıklamak için kullandılar.
Ancak, bu varsayımı doğrulamak için, Bilim adamlarının ultra yüksek hassasiyetli nötrinosuz beta çift bozunma deneyleri tasarlamaları gerekiyor.Bu doğruluğun önümüzdeki 10 ila 20 yıl içinde teknoloji tarafından elde edilemeyeceği tahmin ediliyor.
Dün açıklanan bulgularda, bilim insanlarının da birçok sorunun üstesinden gelmeleri gerekiyor. Profesör Zhang Shousheng tarafından önerilen planda, "Diğer yarısı" olmayan Majorana fermiyonlarının doğası (yalnızca ek antiparçacık içermeyen, geleneksel parçacıkların "yarısına" eşdeğer parçacıklar) sorunu çözmenin anahtarı haline geldi. : Dış manyetik alanın değişmesiyle, anormal Hall etkisi filmi bir kuantum platformu sunar, yani kuantum Hall etkisine dayalı olarak, malzemenin direnci görüntü üzerinde "e ^ 2 / h" nin tam sayı katları ile "adım adım atlar" Majorana fermiyonu normal bir fermiyonun "yarısına" eşdeğer olduğundan, "e ^ 2 / h" nin 1/2 katı kadar "bir adım yukarı" atlayabilir.
Şekil Kuantum anormal Hall efektli film ve sıradan süper iletken filmden oluşan hibrit cihaz
Deneysel plan, sıradan süper iletkeni anormal alt-Hall etkisi filmine yerleştirir ve yakınlık etkisi, Majorana fermiyonlarının özelliklerini ve temel direnç birimi e2 / h'nin 1/2 katına karşılık gelen yeni bir kuantum platformunu sergilemesini sağlar. Yeterince kesin, Kaliforniya Üniversitesi'ndeki daha sonraki deneylerde, araştırmacılar bu tuhaf "1/2" adımını keşfettiler.
Şekil Deneysel sonuçların görüntüsü
Araştırma ekibi tarafından gözlemlenen Majorana fermiyonuna "kiral" fermiyon denir çünkü tek boyutta yalnızca tek yönde hareket eder. Çalışmaya katılan araştırmacılar, deneylerin kurulması ve uygulanmasının son derece karmaşık olduğunu, ancak ürettikleri sinyallerin açık ve hatasız olduğunu söylediler.
Profesör Zhang Shousheng, deneysel sonuçlarla ilgili olarak medyaya verdiği röportajda şunları söyledi: Majorana fermiyonlarının araştırılması daha önce düşündüğümüzden çok daha karmaşık olsa da ve şu anda yapılan çalışmalar da çok sınırlı olsa da, gelecekte kararlı kuantum bilgisayarların inşası için büyük önem taşıyabilir.
Şekil Yarı kuantum iletkenlik platformu deneyde ortaya çıktı
Bunu görünce, böyle bir sorunuz olması muhtemeldir: Majorana fermiyonlarının araştırılması çok karmaşık olduğuna göre, Microsoft neden yukarıda bahsedilen kuantum bilgisayarını üzerine bahse giriyor?
Aslında, bilim adamları uzun süredir Majorana fermiyonlarının kuantum bilgisayarları yapmak için mükemmel seçeneklerden biri olduğunu tahmin ediyorlardı. Karşıt parçacığının kendisi olduğu için durumu çok kararlıdır ve genel kuantum hesaplamada kullanılan parçacıkların kararsız durumunun eksikliklerini önleyebilir (elektromanyetik girişim veya fiziksel girişim, devam eden hesaplamalarını kesintiye uğratacaktır).
Beklentiler sınırsız, ancak hazırlanması zor. Microsoft, Majorana Fermion'a büyük bir iddiaya girdi. Şu anda, Microsoftun kuantum hesaplama ekibinin başı, Xbox ve Xbox360 konsollarının donanım geliştirme projelerinden sorumlu olan Microsoftun kıdemli başkan yardımcısı Todd Holmdahldan bahsetmemiz gerekiyor. 2016 yılında, matematikçi, fizikçi ve mühendislerden oluşan bir ekibe Google ve IBM'i geride bırakan bir kuantum hesaplama prototipi oluşturması için önemli bir görev verildi.
Şekil | Microsoft'un kuantum bilgi işlem donanım ve yazılım Ar-Ge proje lideri Todd Holmdahl
O zamanlar, Google, IBM ve hatta diğer bazı başlangıç şirketleri kendi kuantum bilgisayar donanımlarını oluşturmuş ve veri işlemlerini gerçekleştirmişlerdi, ancak Microsoft yavaş ilerleme kaydediyor gibi görünüyor.
Ancak bunların hiçbiri Todd'un güvenini etkilemedi. "Kişisel hırsım çok güçlü ve şirketin ürün geliştirmesinden şahsen sorumluyum. Ne tür bir teknolojinin nihayetinde bir ürün olabileceği konusunda daha net bir fikrim var", Bu Todd'un söylemidir.
2016'nın sonunda, Todd Holmdahl Microsoft'un kuantum bilgisayar projesinin liderliğini devraldığında, diğer iki seçkin deneysel fizikçi de araştırma ekibine katıldı ve bu iki bilim adamının işi, Majorana fermiyonlarının varlığını belirlemekti. Bilim adamları tarafından yapılan son araştırmanın, Microsoft'un önündeki en kritik teknik engellerden birini ortadan kaldıracağı söylenebilir.
"Microsoft kumar oynuyor", Austin'deki Texas Üniversitesi'nde profesör olan Scott Aaronson, Microsoft'un kuantum bilgisayar stratejisi hakkında bir yorumda bulundu. Görünüşe göre Microsoft'un fırsatı eskisinden daha büyük.
