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在Majorana Fermions上投入新的旋转

科技 2019-06-12 17:07:58

在称为自旋梯的材料中,在不同磁态之间的边界处出现的分裂电子可以在下一代量子计算机中充当稳定的信息位

水 - 固冰,液态水和水蒸气的不同阶段的组合需要一些努力来实现。例如,如果您想在蒸汽旁边放置冰,则必须连续冷却水以保持固相,同时加热以保持气相。

对于凝聚态物理学家来说,这种在同一系统中创造不同条件的能力是可取的,因为有趣的现象和特性经常出现在两个阶段之间的界面上。目前感兴趣的是Majorana费米子可能出现在这些边界附近的条件。

Majorana费米子是一种称为准粒子的粒子状激发,它是由于各个电子分裂成两半而产生的。换句话说,电子成为两个Majorana准粒子的纠缠(连接)对,不管它们之间的距离如何,它都会持续存在。科学家们希望使用物理上分离在材料中的Majorana费米子,以量子计算机的构建模块 - 量子比特的形式可靠地存储信息。Majoranas的异域特性 - 包括它们对电磁场的高度不敏感性和其他环境“噪声” - 使它们成为长距离传输信息而不会丢失的理想候选者。

然而,到目前为止,Majorana费米子仅在极端条件下的材料中实现,包括在接近绝对零度(-459华氏度)的寒冷温度和高磁场下。尽管它们在拓扑上受到保护,不受所有材料中存在的局部原子杂质,无序和缺陷的影响(即,即使材料弯曲,扭曲,拉伸或扭曲,它们的空间特性仍保持不变),在强烈的扰动下无法生存。此外,它们可以运行的温度范围非常窄。由于这些原因,Majorana费米子还没有为实际技术应用做好准备。

现在,由美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室领导的物理学家团队,包括来自中国,德国和荷兰的合作者,提出了一种新的理论方法,用于生产更强大的Majorana费米子。根据他们的计算,正如1月15日发表在“ 物理评论快报 ”上的一篇论文中所描述的那样,这些马约拉纳斯出现在更高的温度下(多个数量级)并且基本上不受紊乱和噪音的影响。即使它们没有拓扑保护,如果扰动在空间中从一个点缓慢变化到另一个点,它们仍然可以持续存在。

“我们的数值和分析计算证明,Majorana费米子存在于磁性材料的边界,具有不同的磁相,或电子旋转的方向,彼此相邻,”共同作者,Condensed的高级科学家和领导人Alexei Tsvelik说。布鲁克海文实验室凝聚态物理与材料科学(CMPMS)部门的物质理论小组。“如果你结合某些磁相,我们还确定了你应该得到的Majorana费米子的数量。”

对于他们的理论研究,科学家们专注于称为旋转梯子的磁性材料,旋转梯子是由具有三维(3-D)结构的原子形成的晶体,细分为看起来像梯子的成对链。虽然科学家们多年来一直在研究旋转梯系统的性质,并且预计他们会生产Majorana费米子,但他们不知道有多少。为了进行计算,他们应用量子场理论的数学框架来描述基本粒子的基本物理,并应用数值方法(密度矩阵重整化群)来模拟电子以强相关方式运行的量子系统。

“我们惊讶地发现,对于某些磁相配置,我们可以在每个边界产生不止一个Majorana费米子,”共同作者和CMPMS部门主席Robert Konik说。

对于Majorana费米子在量子计算中实际有用,它们需要大量生成。计算专家认为,量子计算机能够解决经典计算机无法解决的问题的最小阈值是100个量子比特。Majorana费米子也必须以可以变得纠缠的方式移动。

该团队计划使用诸如量子点(纳米尺寸半导体粒子)或捕获(受限)离子等工程系统的实验来跟进他们的理论研究。与真实材料的特性相比,工程材料的特性可以更容易地调整和操纵,以引入Majorana费米子可能出现的不同相界。

“现在还不清楚下一代量子计算机的制造情况,”Konik说。“我们正试图找到更好的替代当前一代的低温超导体,类似于硅取代晶体管中的锗。我们处于早期阶段,我们需要探索各种可能性。“