Практичне відкриття ферміона Майорани - новий крок у пошуках кубітів для квантових комп’ютерів

В Державному університеті телекомунікацій готуються фахівці з комп'ютерної інженерії. Підготовка фахівців цього напрямку має на увазі формування і розвиток загальних компетенцій, які будуть здатні забезпечити вирішення різних завдань, практичних проблем побудови і настройки комп'ютерних систем. Для цього необхідна підготовка студентів з базових знань фундаментальних дисциплін, які включають і досягнення сучасної науки. Дотримуючись інноваційних принципів, на кафедрі фізики в навчальну програму з дисципліни «Фізика» включені питання з елементами квантової механіки.

У світі в науки і техніки триває стрімкий розвиток квантових комп'ютерів. Фізики з Массачусетського технологічного інституту повідомили про те, що їм вдалося спостерігати на поверхні золота елементарні частинки, що одночасно є власними античастинками - ферміони майорани. Ці незвичайні частинки були названі в честь італійського фізика Етторе Майорана, який теоретично обґрунтував можливість їх існування. Але, не зважаючи на те, що майоранівські ферміони добре вписувалися у багато моделей, знайти їх не могли дуже довго. Лише в 2017 році група фізиків з США і Китаю змогла їх виявити, використавши для цього складну двошарову структуру, що складається з ніобієвого надпровідника і топологічного ізолятора з сурми, вісмуту і телуриду хрому. Вчені використали систему із золотих нанониток товщиною близько чотирьох нанометрів з вкрапленнями феромагнетика (сульфіду європію) на надпровідній ванадієвій підкладці. Скануючи поверхню золота біля феромагнітних острівців за допомогою тунельної мікроскопії, дослідники виявили характерні піки сигналів, які, відповідно до теорії, можуть генеруватися лише парами ферміонів Майорани. Справа в тому, що в будь-якому надпровіднику електрони проходять через певні рівні енергії, що змінюються сходинково і розділені так званими забороненими зонами. Енергетичні піки, що фіксуються в цих зонах, є ознаками пар частинка - античастинка.

Майоранівські ферміони - екзотичне явище, яке вчені давно мріяли побачити. Тепер їх спостерігають в дуже простому матеріалі - золоті. Доведено, що вони існують, стабільні і легко масштабуються.

Наступне завдання, яке хочуть вирішити вчені - практичне використання незвичайних ферміоні. Згідно з розрахунками на ферміонах Майорани можна побудувати стабільні кубіти для квантових обчислень. Ідея полягає в тому, що кубіт (мінімальний елемент для зберігання інформації в квантовому комп'ютері) буде складатися з комбінацій пар ферміонів, кожна з яких буде відділена від свого «партнера».

Створивши з темпорального кристала частинку, яка є власною античастинкою, фізики збираються розробити квантовий комп'ютер, який буде набагато надійніший і легший за інші розробки.

Робота дослідників з Массачусетського технологічного інституту також дає можливість створювати системи, масштабовані для створення тисяч і навіть мільйонів кубітів. Якщо шумові спотворення впливають на одного члена пари, інший повинен залишитися без змін, тим самим зберігаючи цілісність кубіта і дозволяючи йому правильно виконувати обчислення. Для створення квантового комп'ютера поєднують темпоральні кристали і майоранівські ферміони.

Схеми напівпровідникових структур, запропонованих в більш ранніх роботах, для цього малопридатні, так як вимагають виняткової точності при вирощуванні напівпровідникових кристалів і надмірно трудомісткі. Запропонована структура стабільна і економічно вигідна.

Така інформація важлива для студентів кафедри Комп'ютерної інженерії ДУТ, яка готує фахівців з цього напряму. Це дуже цікава, перспективна і затребувана спеціальність.

Запрошуємо майбутніх абітурієнтів поступати до Державного університету телекомунікацій!