«Бедные майораны»: как чувствительность квантовых систем стала их преимуществом

Научное сообщество продолжает исследовать различные подходы к созданию квантовых компьютеров. В этой технологической гонке даже побочные эффекты, сопровождающие еще не обнаруженные частицы, могут найти практическое применение в вычислительной логике. Одним из таких примеров стали исследования майорановских фермионов — гипотетических частиц, которые являются собственными античастицами.

Хотя настоящие фермионы Майораны до сих пор не обнаружены, физики работают с квазичастицами, обладающими их свойствами. Эти коллективные возбуждения в твердых телах называют майорановскими модами. Компания Microsoft, например, надеется использовать их в процессе квантовых вычислений на своем чипе Majorana 1.

Цепочки Китаева: от проблемы к решению

С майорановскими фермионами тесно связана модель цепи Китаева. При определенных условиях одномерная сверхпроводящая цепочка частиц порождает по одному изолированному фермиону Майораны на каждом конце, при этом полная энергия системы не изменяется. Ученые уже создали короткие цепи Китаева из полупроводниковых нанопроволок с квантовыми точками и рассматривают длинные цепочки как основу для топологических кубитов, защищенных от локальных возмущений.

Цепочки Китаева минимального размера с нетопологическими майорановскими состояниями получили ироничное название «майорановский фермион для бедных» из-за многочисленных ограничений и топологической незащищенности. Это не полноценный фермион Майорана, но близкое к нему состояние квантовой системы. Такие «бедные майораны» отличаются высокой чувствительностью к локальным возмущениям.

Чувствительность как полезное свойство

Физики, изучавшие потенциал коротких цепочек Китаева, пришли к выводу, что их чувствительность стоит рассматривать не как проблему, а как особое свойство системы. Исследователи работали с минимальными цепочками всего из двух квантовых точек, соединенных сверхпроводящим сегментом. В такой системе две майорановские моды находятся на концах только в одной конкретной конфигурации.

В других конфигурациях эти моды могут перекрываться, распределяться между двумя квантовыми точками или даже исчезать при небольших изменениях электростатического потенциала. Именно эта особенность открывает возможности для практического применения. Ученые предлагают использовать эффект перелива, при котором волновая функция майорановской моды перетекает из одной квантовой точки в другую при локальном возмущении.

Традиционно такой перелив считали нежелательным эффектом, но исследователи показали, что его можно контролировать через магнитную связь со спином другой частицы. Спектральная структура, порождаемая этим переливом, напрямую зависит от квантовой природы спина исследуемой частицы, что позволяет определять ее тип.

На основе этого эффекта ученые предполагают возможность создания квантового сенсора. В перспективе может быть разработан и квантовый логический вентиль на эффектах переплетения и слияния, позволяющий считывать квантовые состояния системы без их разрушения. Это открывает новые пути в разработке квантовых технологий, где даже ограничения существующих систем могут превратиться в рабочие инструменты.