Новости 4 сентября 2017

Физики получили убедительные доказательства существования майорановских фермионов

В 1937 году итальянский физик Этторе Майорана (Ettore Majorana) теоретически обосновал возможность существования экзотических квазичастиц, которые одновременно являются своими собственными античастицами. После этого был предпринят целый ряд исследований и экспериментов, направленных на поиски доказательств этих квазичастиц, которые получили название майорановских фермионов (Majorana fermions). Первые доказательства возможности их существованиябыли получены в 2012 году исследователями из Технологического университета Дельфта (Delft University of Technology), Нидерланды. Для этого ученые использовали поток электронов, запущенный в нанопроводник, размещенный рядом с участком из сверхпроводящего материала.

После экспериментов 2012 года было проведено еще несколько экспериментов, результаты которых указывали на возможность существования майорановских фермионов. Однако все эти эксперименты, включая и самый первый, оставляли лазейку для возможности альтернативного объяснения полученных результатов. "До последнего времени не было получено ни одного убедительного и достоверного доказательства существования майорановских фермионов" - рассказывает Хао Жанг (Hao Zhang), исследователь из TU Delft.

Для поиска доказательств существования майорановских фермионов исследователи из Технологического университета Дельфта, Технологический университет Эйндховена (Eindhoven University of Technology), Нидерланды, и Калифорнийского университета (University of California), Санта-Барбара, США, создали устройство из перекрещивающихся нанопроводников, по виду напоминающие символ хэштэга (#). Четыре точки соприкосновения нанопроводников представляют собой места, где майорановские частицы могут обменяться местами, не контактируя и не уничтожая друг друга.

"Проведенные нами эксперименты дали результаты, которые содержат уникальные данные, имеющие отношение только к майорановским фермионам. И эти результаты не могут быть объяснены с точки зрения любой другой альтернативной теории" - рассказывает Хао Жанг, - "Все это можно считать как первое убедительное доказательство существования майорановских фермионов".

Помимо получения доказательств существования майорановских фермионов, данные исследования предоставляют доказательства возможности реализации технологий так называемых топологических квантовых вычислений, в которых роль квантовых битов, кубитов, будут выполнять майорановские квазичастицы. В топологических квантовых вычислительных системах квантовая информация может содержаться в виде квантового состояния фермиона, а обработка информации будет выполняться путем ее передачи от одного фермиона к другому. Последовательность цепочки передачи информации будет определять вид (алгоритм) ее обработки и при таком способе обработки вероятность возникновения ошибок гораздо ниже вероятности при работе квантовых вычислительных систем другого типа.

Малая вероятность возникновения ошибок является следствием способности майорановских фермионов находиться в состоянии квантовой суперпозиции в течение длительного времени, во много раз большего, чем время нахождения в состоянии квантовой суперпозиции кубитов на основе ионов или фотонов. "Это является основным преимуществом кубитов на основе майорановских фермионов по сравнению с другими типами кубитов" - рассказывает Хао Жанг, - "А возможность длительного сохранения суперпозиции майорановскими кубитами следует из-за их топологической изоляции, которая выступает в роли защиты от влияния внешних факторов".

Исследователи сообщили, что они уже начали работать в направлении создания работоспособных кубитов на базе майорановских фермионов. Эти кубиты станут основой первого экспериментального квантового чипа с микроволновым управлением, при помощи которого будут проведены исследования, результаты которых определят целесообразность дальнейшей работы в данном направлении.