Postęp w dziedzinie topologicznych obliczeń kwantowych
Obliczenia kwantowe są rewolucyjne, ponieważ polegają na zdolności cząstek subatomowych do występowania w więcej niż jednym stanie w dowolnym momencie – dlatego też taktrudno jest je opanować. Szybsze wykonywanie obliczeń przy mniejszym zużyciu energii wiąże się ze zwiększeniem poziomu hałasu środowiskowego oraz liczby błędów operacyjnych w o wiele większym stopniu niż w przypadku klasycznych obliczeń. W rzeczywistości stanowi to jedną z najważniejszych przeszkód na drodze do stosowania komputerów kwantowych. Kwantowa korekta błędów może umożliwić bezbłędne wykonywanie obliczeń kwantowych przez wystarczająco odizolowane układy kwantowe i wystarczająco precyzyjne bramki kwantowe. Jednak jak mówi dr Carmine Ortix z Instytutu badań substancji stałych i materiałów Leibniza w Dreźnie, wymagania tego procesu są zbyt rygorystyczne. Zastosowanie topologicznych obliczeń kwantowych – w których kubity są topologicznie chronione przed dekoherencją – z wykorzystaniem fermionów Majorany byłoby znacznie lepszym rozwiązaniem, ale nie jest to łatwe do osiągnięcia. „Pojawiają się dwie zasadnicze komplikacje”, mówi dr Ortix. „Pierwszą z nich jest wymóg znacznego wewnętrznego sprzężenia spinowo-orbitalnego. Znacznie ogranicza to liczbę potencjalnie nadających się materiałów. Drugą przeszkodą jest niski poziom kontroli nad korelacją par nadprzewodnikowych. Pary Coopera są wprowadzane w obszarze nieprzewodzącym z silnym sprzężeniem spinowo-orbitalnym poprzez efekt zbliżeniowy, co wymaga bardzo wysokiego poziomu kontroli w procesie wytwarzania i wysokiej jakości styku faz nadprzewodnik-półprzewodnik”. W ramach projektu CNTQC dr Ortix zamierzał rozwiązać te dwa problemy, wprowadzając nowe platformy, na których generowanie stanów związanych cząsteczek Majorany może być regulowane na żądanie. „Wykonalność tej koncepcji wynika z faktu, że właściwości mechaniki kwantowej nośników ładunku ograniczonych do zakrzywionych nanostruktur różnią się wewnętrznie od tych w konwencjonalnej płaskiej nanostrukturze. W rezultacie, właściwości elektroniczne, a więc i transportowe, również są bardzo odmienne”, wyjaśnia. Zespół projektu CNTQC z powodzeniem udowodnił, że istotna jest wzajemna zależność między wywołanym krzywiznami wpływem na właściwości elektroniczne a topologią stanu podstawowego systemu niskowymiarowego. Przykładowo okresowe wybijanie półprzewodnikowego nanoprzewodu powoduje przejście metal-izolator, a tym samym definiuje stan przełącznika tranzystora nanofleksowego – „włączony”, gdy nanoprzewód jest płaski, i „wyłączony”, gdy nanoprzewód jest zakrzywiony płaszczyznowo. „Ponadto fazy izolacyjne mają nietrywialną strukturę topologiczną, która prowadzi do nowego »spektrum motyla fraktalnego«”, kontynuuje dr Ortix. „Wprowadziliśmy również koncepcję sterowania kształtem geometrycznym spinowej fazy kwantowo-geometrycznej w eliptycznie zdeformowanych półprzewodnikowych pierścieniach kwantowych z oddziaływaniem spinalno-orbitalnym Rashba. Deformacje kształtu, które powodują niejednorodną krzywiznę, prowadzą do powstawania złożonych trójwymiarowych tekstur spinowych, ujawniając sposób umożliwiający całkowicie elektryczne i w pełni geometryczne sterowanie orientacją spinów elektronowych. Co więcej, te geometrycznie dostrojone tekstury spinowe tworzą różne wzory interferencji Aharonova-Cashera (AC) w interferometrach spinowych”. „Odkrycia te ujawniają ogromny potencjał nowych koncepcji urządzeń spinowo-orbitronicznych, w których spin elektronowy i transport elektroniczny są bezpośrednio kontrolowane przez geometrię systemu. Ponadto sterowanie kształtem geometrycznym geometrycznej fazy spinowej może utorować drogę przyszłym zastosowaniom spintroniki, takim jak kontrola trwałych prądów spinowych. Zespół projektu CNTQC wprowadził koncepcję geometrycznego anizotropowego magnetooporu (GAMR) w zakrzywionych otwartych rurowych nanostrukturach, przewidział, że kanał półprzewodnikowy o kształcie serpentyny w skali mezoskopowej może działać jako elektroniczna pompa ładunku topologicznego po poddaniu słabemu wirującemu polu magnetycznemu, opracował technikę zwaną magnetometrią Halla o zerowym przesunięciu, która może poprawić zasięg laboratoryjnych badań transportu w rozwijającej się dziedzinie spintroniki antyferromagnetycznej, opracował pierwszy w swoim rodzaju element pamięci o temperaturze pokojowej oparty wyłącznie na antyferromagnesach, który można zapisać za pomocą pola elektrycznego zamiast prądu, a także rozwinął zaawansowane techniki obrazowania magnetycznego w mezoskali. Opierając się na tych obiecujących rezultatach, konsorcjum CNTQC postanowiło opracować plan działania na rzecz przyszłego wykorzystania wywołanego krzywizną wpływu w nanosystemach. Wyniki projektu wskazują, że zakrzywiona geometria nowych nanosystemów może być wykorzystywana do wprowadzania nowych funkcji, w których główną rolę odgrywa generowanie stanów związanych cząsteczek Majorany w sposób kontrolowany.
Słowa kluczowe
CNTQC, obliczenia kwantowe, fermion majorany