Разработка квантовых компьютеров ведется научным сообществом по нескольким направлениям. В этой технологической гонке даже неожиданные явления, связанные с пока не идентифицированной частицей, способны внести вклад в вычислительные процессы.
Майорановский фермион – это частица, которая представляет собой свою собственную античастицу. Существование этой частицы было предсказано теоретическими расчетами, однако на данный момент ее не удалось зафиксировать.
Физики используют понятие квазичастиц, обладающих характеристиками фермионов, и предполагают, что фермионы Майораны проявляются в твердых телах как совокупное возбуждение. Подобную квазичастицу называют майорановской модой. Компания Microsoft надеется построить на них процесс квантовых вычислений своего недавно представленного чипа Majorana 1.
Эти фермионы связаны с моделью цепи Китаева. В определенных обстоятельствах, одномерная сверхпроводящая цепочка, состоящая из частиц или квазичастиц, генерирует по одному изолированному фермиону Майораны на каждом из своих концов, при этом общая энергия системы остается неизменной. Короткие цепи Китаева уже были реализованы – их изготовили из полупроводниковых нанопроволок, содержащих квантовые точки. Длинная цепочка Китаева представляется исследователям как концептуальная база для разработки топологических кубитов, обладающих устойчивостью к локальным помехам.
Физики исследовали возможности применения коротких цепочек Китаева и установили, что их чувствительность является не недостатком, а ценным качеством. Результаты этого исследования опубликовали в издании Journal of Physics: Condensed Matter.
Цепочки Китаева наименьшего размера, обладающие нетопологическими майорановскими состояниями, часто называют «майорановским фермионом для бедных». Такое название обусловлено значительным количеством накладываемых ограничений и отсутствием топологической защиты. Это не является фермионом Майорана в строгом смысле, однако представляет собой близкое к нему состояние квантовой системы.
«Бедные Майораны» демонстрируют высокую чувствительность к локальным возмущениям. Ученые считают, что такую восприимчивость следует рассматривать как характерную особенность системы, которую можно создать квантовый сенсор.
«Исследователи изучают цепочки, состоящие всего из двух квантовых точек, соединенных сверхпроводящим участком. В такой упрощенной структуре две майорановские моды располагаются исключительно на концах, но только в определенной конфигурации системы. В остальных случаях они могут частично перекрываться, распределяться между двумя квантовыми точками или вовсе исчезать из-за незначительных изменений электростатического потенциала, воздействующего на эти точки», — сообщили ученые.
Устройство будет функционировать на основе эффекта перетекания. При локальном воздействии на волновой пакет майорановской моды происходит перетекание из одной квантовой точки в другую. Ранее перетекание считалось нежелательным явлением, однако ученым удалось продемонстрировать, что его можно регулировать посредством магнитной связи со спином другой частицы. Спектральные характеристики, возникающие в результате этого перетекания, непосредственно зависит от квантовой природы спина исследуемой частицы, то есть так можно определить ее тип.
По мнению исследователей, данный эффект позволит создать сенсор, а в будущем – квантовый логический вентиль, основанный на принципах переплетения и слияния, что позволит считывать квантовые состояния системы, не нарушая их.