Квантовые компьютеры на основе майорановских квазичастиц

Майорановские частицы являются очень своеобразными членами семейства элементарных частиц. Впервые предсказанные в 1937 году итальянским физиком Этторе Майорана, эти частицы принадлежат к группе так называемых фермионов, которая также включает в себя электроны, нейтроны и протоны.

Майорановские фермионы электрически нейтральны, а также являются собственными античастицами. Эти экзотические частицы могут, например, выступать в качестве квазичастиц в топологических сверхпроводниках и представлять собой идеальные строительные блоки для топологических квантовых компьютеров.

На пути к таким топологическим квантовым компьютерам на основе майорановских квазичастиц физики из Вюрцбургского университета вместе с коллегами из Гарвардского университета сделали важный шаг: тогда как предыдущие эксперименты в этой области были в основном сосредоточены на одномерных системах командам из Вюрцбурга и Гарварда удалось перейти к двумерным системам.

В рамках этого сотрудничества группы Эвелины Ханкевич и Лорен Моленкамп из Вюрцбургского университета объединились с группами Амира Якоби и Бертрана Гальперина из Гарвардского университета. Их выводы представлены в текущем номере научного журнала Nature.

«Реализация майорановских фермионов — одна из наиболее интенсивно изучаемых тем в физике конденсированных сред», — говорит Эвелина Ханкевич. По ее словам, предыдущие реализации обычно были сосредоточены на одномерных системах, таких как нанопроволоки. Она объясняет, что манипулирование майорановыми фермионами в этих установках очень сложно. Поэтому потребовались бы значительные усилия, чтобы сделать майорановские фермионы в этих установках в конечном итоге применимыми для квантовых вычислений.

Чтобы избежать некоторых из этих трудностей, исследователи изучали майорановские фермионы в двумерной системе с сильной спин-орбитальной связью. «Система, которую мы исследуем, представляет собой так называемый джозефсоновский переход с фазовым управлением, то есть два сверхпроводника, разделенных нормальной областью, — объясняет Лорен Моленкамп. Сверхпроводящая разность фаз между двумя сверхпроводниками обеспечивает дополнительную возможность, которая делает сложную точную настройку других параметров системы, по меньшей мере, частично ненужной.

В изученном материале, квантовой яме теллурида ртути, связанной с сверхпроводящим тонкопленочным алюминием, физики впервые наблюдали топологический фазовый переход, который предполагает появление майорановских фермионов в джозефсоновских переходах с фазовым управлением.

Реализованная экспериментальная установка представляет собой универсальную платформу для создания и управления фермионами Майорана, которая предлагает несколько преимуществ по сравнению с предыдущими одномерными платформами. По словам ученых, «это важный шаг на пути к улучшению контроля над майорановскими фермионами».

Доказательство концепции топологического сверхпроводника на основе двумерного джозефсоновского перехода открывает новые возможности для исследования майорановских фермионов в физике конденсированных сред. В частности, можно избежать нескольких ограничений предыдущих реализаций майорановских фермионов.

В то же время улучшенное управление майорановскими фермионами представляет собой важный шаг к топологическим квантовым компьютерам. Теоретически, такие компьютеры могут быть значительно более мощными, чем обычные компьютеры. Таким образом, они могут революционизировать компьютерные технологии в будущем.

Hechen Ren et al. Topological superconductivity in a phase-controlled Josephson junction, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1148-9