Οι κβαντικοί υπολογιστές – συστήματα που επεξεργάζονται πληροφορίες και εκτελούν υπολογισμούς αξιοποιώντας τις αρχές της κβαντικής μηχανικής – θα μπορούσαν να επιλύσουν ορισμένες εργασίες ταχύτερα και αποτελεσματικότερα από τους κλασικούς υπολογιστές.
Αυτές οι κβαντικές καταστάσεις είναι φυσικά ανθεκτικές σε ατέλειες, διότι η πληροφορία αποθηκεύεται στη συνολική τοπολογία του συστήματος και όχι σε τοπικά σημεία.
Η σημασία και ο ρόλος των καταστάσεων Majorana
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου διερεύνησαν την ανθεκτικότητα αυτών των καταστάσεων σε μονοδιάστατες (1D) αλυσίδες σπιν. Η μελέτη τους, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics από τους Harim Jang και Roland Wiesendanger, αποδεικνύει ότι οι καταστάσεις Majorana σε ατομικές αλυσίδες αντέχουν στις διαταραχές, ανοίγοντας τον δρόμο για μια κβαντική υπολογιστική ανθεκτική σε σφάλματα.
«Ο πρωταρχικός μας στόχος ήταν να πραγματοποιήσουμε ημισωματίδια Majorana, εξωτικές καταστάσεις όπου τα σωματίδια είναι τα ίδια τους τα αντισωματίδια», δήλωσαν οι Wiesendanger και Jang. «Η συνειδητοποίηση αυτών των καταστάσεων στα όρια ενός τοπολογικού υπεραγωγού αποτελεί τεράστια πρόκληση, αλλά υπόσχεται qubits με υψηλή ανοχή σε εξωτερικές διαταραχές».
Διερεύνηση των καταστάσεων Majorana σε μονοδιάστατες αλυσίδες σπιν
Η ομάδα συνέθεσε ένα υβριδικό υλικό από υπεραγώγιμο υπόστρωμα νιοβίου (Nb), ένα λεπτό στρώμα αργύρου (Ag) και ένα ανώτατο στρώμα κράματος βισμουθίου – αργύρου (BiAg2). Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκε μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (STM) σε θερμοκρασίες 4 Kelvin.
«Οι εικόνες STM έδειξαν περιοδική διάταξη των ατόμων Bi, αλλά σε μεγαλύτερη κλίμακα εμφανίστηκε ηλεκτρονική ανομοιογένεια λόγω διαταραχών στο υπόστρωμα αργύρου», εξήγησαν οι ερευνητές. Πάνω στο BiAg2, τοποθέτησαν μεμονωμένα μαγνητικά άτομα σιδήρου (Fe) σχηματίζοντας γραμμικές αλυσίδες με τη βοήθεια της ακίδας STM. Παρά τη νανοσκοπική διαταραχή του υποστρώματος, τα ακραία άτομα των αλυσίδων εμφάνισαν σαφείς καταστάσεις μηδενικής ενέργειας, αποδεικνύοντας πειραματικά την ανθεκτικότητα των ημισωματιδίων Majorana.
Καθοδηγώντας την υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών ανθεκτικών σε σφάλματα
Οι μετρήσεις επιβεβαίωσαν ότι οι καταστάσεις Majorana επιμένουν παρά τις ατέλειες, επαληθεύοντας παλαιότερες θεωρητικές προβλέψεις. «Το πιο συναρπαστικό αποτέλεσμα είναι η άμεση απόδειξη ότι τα ημισωματίδια Majorana είναι εξαιρετικά ανθεκτικά σε διάφορα επίπεδα διαταραχής», τόνισαν οι Jang και Wiesendanger, επισημαίνοντας τη σημασία της τοπολογικής προστασίας για τη δημιουργία σταθερών qubits.
Μελλοντικές προοπτικές και ανάπτυξη Majorana qubits
Η έρευνα ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη qubits Majorana, τα οποία αποθηκεύουν πληροφορίες στη δομή του συστήματος. Επόμενος στόχος της ομάδας είναι η βελτιστοποίηση του υλικού για ακόμη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα, καθώς και η μελέτη της επίδρασης των διαταραχών στη δυναμική των καταστάσεων κατά τη διάρκεια λειτουργιών πλεξίματος (braiding).