Fermionii Majorana şi computerul cuantic

Un cercetător de la Universitatea Purdue a observat dovezi clare ale existenţei unor particule de mult căutate, aşa-numiţii fermioni Majorana, particule speciale prin care s-ar putea descătuşa potenţialul computerelor cuantice “tolerante la erori”.

Leonid Rokhinson, profesor de fizică asociat, a condus o echipă care a pus în evidenţă cu succes pentru prima dată efectul fracţional Josephson în curent alternativ care reprezintă, de fapt, o amprentă (semnătură) a particulelor numite fermioni Majorana.

“Căutarea acestei particule este pentru fizica materiei condensate ceea ce a reprezentat căutarea bosonului Higgs pentru fizica particulelor de mare energie”, a afirmat Rokhinson. “Această particulă este un obiect destul de ciudat, deoarece este un fermion (o particulă de spin fracţional, spre deosebire de un boson care are ca spin un număr întreg - n.tr.) şi totuşi este propria sa anti-particulă cu masa şi sarcina electrică zero.”

Căutarea fermionilor Majorana este motivată de potenţialul lor de a codifica informaţii cuantice de o manieră care să rezolve o problemă care preocupă de mult timp cercetătorii din domeniul ştiinţei computerelor cuantice.

Curentul electric transportă biţi cuantici (qubiţi), unitatea informatică de bază în computerele cuantice, care sunt extrem de vulnerabili şi sunt uşor distruşi de micile perturbaţii din mediul local. Informaţiile înmagazinate prin fermionii Majorana ar putea fi protejate de astfel de perturbaţii, ceea ce ar conduce la biţi cuantici mult mai rezistenţi şi un computer cuantic “tolerant la erori”, a afirmat el.

“Informaţia poate fi depozitată nu în particule individuale, ci în configuraţia relativă, astfel încât, dacă o particulă este perturbată puţin de o forţă locală, nu afectează configuraţia ca întreg”, spune Rokhinson.

“Atât timp cât zgomotul de fond local nu este atât de puternic încât să modifice configuraţia generală a grupului de particule, informaţia nu se pierde. Acest fenomen ne oferă o soluţie nouă de a depozita informaţia.”

În plus, fermionii Majorana au abilitatea unică de a reţine istoria interacţiunilor dintre ei, care poate fi folosită pentru a codifica informaţia cuantică, a spus acesta.

“Alte particule sunt interschimbabile între ele şi dacă doi electroni îşi schimbă poziţia între ei este ca şi cum nimic nu s-a întâmplat, dar când doi fermioni Majorana îşi schimbă poziţia între ei, acest lucru lasă un semn prin schimbarea stării lor cuantice”, a spus Rokhinson.

“Această trecere într-o altă stare este ca un paşaport plin de ştampile care ne furnizează o imagine asupra traseului exact al particulei în locaţia ei curentă.”

Rokhinson a observat o variaţie a efectului Josephson care este o amprentă unică a fermionilor  Majorana. Efectul descrie modalitatea în care un curent electric ce se deplasează între doi supraconductori oscilează la o frecvenţă care depinde de tensiunea aplicată. Inversa este, de asemenea, adevărată; un curent oscilant generează o tensiune specifică, proporţional cu frecvenţa oscilaţiilor.

În prezenţa fermionilor Majorana, relaţia frecvenţă-tensiune ar trebui să se schimbe cu un factor de doi, în ceea ce se numeşte efectul fracţional Josephson al curentului alternativ, spune Rokhinson.

Rokhinson a folosit un semiconductor unidimensional cuplat cu un supraconductor pentru a crea un nanofir hibrid, în care particulele Majorana se formează la cele două capete, conform predicţiei.

Astfel, când un curent alternativ este trecut prin două fire, o tensiune specifică este generată de-a lungul aparatului de măsură, tensiune pe care Rokhinson a măsurat-o. Când un câmp magnetic a fost aplicat şi modificat de la slab la puternic, treptele rezultate în tensiune au fost de două ori mai mari, semnalând astfel amprenta formării particulelor Majorana, a spus acesta.

Victor Yakovenko, profesor de fizică la Universitatea din Maryland, este unul dintre primii teoreticieni care au prezis efectul Josephson fracţional al curentului alternativ. Efectul este foarte neobişnuit şi este specific particulelor Majorana, ceea ce face această observaţie mult mai relevantă şi definitorie decât amprentele obţinute prin alte abordări, a spus el.

“Particulele Majorana sunt singurele particule care pot produce acest efect şi observaţiile experimentale ale efectului reprezintă o descoperire majoră”, spune Yakovenko. “Evident, va trece un timp până când o confirmare independentă va fi efectuată, dar rezultatul în sine este foarte important.”

Observarea acestei stări foarte speciale nu înseamnă că computerele cuantice “tolerante la erori” vor apărea foarte curând, ori că vor apărea cândva, a spus Yakovenko. “Dacă sau nu aceste particule vor funcţiona în cazul computerelor cuantice rămâne de văzut, dar în cadrul acestui proces vom învăţa foarte multe aspecte neştiute în fizică cuantică”, a spus acesta. “Acest lucru ar putea deschide drumul către un domeniu complet nou, al efectelor topologice din mecanica cuantică.”


“Un articol detaliat pe acest subiect va fi publicat în numărul următor al revistei Nature Physics şi este momentan disponibil online. Co-autorii, Xinyu Liu şi Jacek Furdyna de la Universitatea Notre Dame, sunt cei care au conceput materialul, special pentru aceste experimente. Furdyna are, de asemenea, un grad onorific în fizică de la Universitatea Purdue. Experimentul a fost parţial sponsorizat de Army Research Office şi de Naţional Science Foundation.

Rokhinson va face în continuare experimente pe această temă, în care va modifica sistemul pentru a putea extrage proprietăţi ale stărilor observate.

Mai multe informaţii în: Efectul fractional Josephson în curent alternativ observat într-un nanofir semiconductor-supraconductor ca semnătură a particulelor Majorana, Nature Physics, 2012.

Sumar

Supraconductorii topologici care susţin fermionii Majorana au făcut subiectul unei predicţii într-un montaj în care firele semiconductoare uni-dimensionale sunt cuplate la un supraconductor. Astfel de perturbaţii sunt estimate să etaleze proprietăţi statistice de tip non-abelian (non-comutativ) şi pot fi folosite pentru a realiza porţi cuantice care sunt protejate topologic de sursa locală de decoerenţă.

În acest articol ne-am ocupat de observaţiile asupra efectului fracţional Josephson în curentul alternativ, într-un cuplu hibrid semiconductor-supraconductor, o joncţiune de nanofire care este fundamentală în limbajul topologic. 

Când o astfel de joncţiune este iradiată cu o frecvenţă radio f0 în absenţa unui câmp magnetic extern, o scară de tensiune cuantificată (scara Shapiro) cu înălţimea de  ∆V=hf0/2e este observată, aşa cum este de aşteptat pentru joncţiunile de supraconductori convenţionale, când supercurentul electric este transportat de o sarcină electrică dublă (-2e) de perechi Cooper.

La un câmp magnetic mare, înălţimea primelor trepte din scara Shapiro se dublează la hf0/e, indicând că un supercurent este transportat de o quasiparticulă de sarcină electric -e. Aceasta este amprenta unică a fermionilor Majorana, particule rezultate din predicţiile teoretice ale fizicianului italian acum 80 de ani.

Traducere realizată de Mihai Panoschi după signature-long-sought-particle-revolutionize-quantum, cu acordul Phys.org.