Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã đề xuất một phương pháp mới để tạo ra các fermion Majorana mạnh mẽ hơn, một loại quasiparticle có thể hoạt động như các bit thông tin ổn định trong các máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo.
Sự kết hợp của các giai đoạn khác nhau của nước, nước đá rắn, nước lỏng và hơi nước sẽ đòi hỏi một số nỗ lực để đạt được bằng thực nghiệm. Ví dụ, nếu bạn muốn đặt đá bên cạnh hơi, bạn sẽ phải liên tục làm lạnh nước để duy trì pha rắn trong khi làm nóng nó để duy trì pha khí.
Đối với các nhà vật lý vật chất ngưng tụ, khả năng tạo ra các điều kiện khác nhau trong cùng một hệ thống là mong muốn vì các hiện tượng và tính chất thú vị thường xuất hiện ở các giao diện giữa hai pha. Mối quan tâm hiện tại là các điều kiện theo đó các fermion Majorana có thể xuất hiện gần các ranh giới này.
Các fermion Majorana là các kích thích giống như hạt gọi là các quasiparticles nổi lên như là kết quả của sự phân đoạn (tách) của các electron riêng lẻ thành hai nửa. Nói cách khác, một electron trở thành một cặp vướng víu (liên kết) của hai quasiparticles Majorana, với liên kết vẫn tồn tại bất kể khoảng cách giữa chúng. Các nhà khoa học hy vọng sẽ sử dụng các fermion Majorana được phân tách vật lý trong một vật liệu để lưu trữ thông tin dưới dạng qubit, khối xây dựng của máy tính lượng tử. Các đặc tính kỳ lạ của Majorana bao gồm độ nhạy cảm cao đối với trường điện từ và “tiếng ồn” môi trường khác – khiến chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng để mang thông tin qua khoảng cách xa mà không bị mất.
Tuy nhiên, cho đến nay, fermion Majorana chỉ được thực hiện trong các vật liệu ở điều kiện khắc nghiệt, bao gồm cả ở nhiệt độ lạnh lẽo gần bằng không tuyệt đối ( 459 độ F) và dưới từ trường cao. Và mặc dù chúng được bảo vệ “về mặt tôpô” khỏi các tạp chất nguyên tử cục bộ, rối loạn và khuyết tật có trong tất cả các vật liệu (nghĩa là các đặc tính không gian của chúng vẫn giữ nguyên ngay cả khi vật liệu bị uốn cong, xoắn, kéo dài hoặc bị biến dạng), chúng vẫn làm không tồn tại dưới những xáo trộn mạnh mẽ. Ngoài ra, phạm vi nhiệt độ mà chúng có thể hoạt động là rất hẹp. Vì những lý do này, fermion Majorana chưa sẵn sàng cho ứng dụng công nghệ thực tế.
Giờ đây, một nhóm các nhà vật lý do Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) dẫn đầu và bao gồm các cộng tác viên từ Trung Quốc, Đức và Hà Lan đã đề xuất một phương pháp lý thuyết mới để tạo ra các fermion mạnh hơn. Theo tính toán của họ, như được mô tả trong một bài báo xuất bản vào ngày 15 tháng 1 trên tờ đánh giá vật lý , những con Majorana này nổi lên ở nhiệt độ cao hơn (theo nhiều bậc độ lớn) và phần lớn không bị ảnh hưởng bởi rối loạn và tiếng ồn. Mặc dù chúng không được bảo vệ theo cấu trúc liên kết, chúng vẫn có thể tồn tại nếu nhiễu loạn thay đổi chậm từ điểm này sang điểm khác trong không gian.
“Các tính toán số và phân tích của chúng tôi cung cấp bằng chứng cho thấy fermion Majorana tồn tại trong ranh giới của các vật liệu từ tính với các pha từ tính khác nhau, hoặc hướng của các spin điện tử, nằm cạnh nhau”, đồng tác giả Alexei Tsvelik, nhà khoa học cao cấp và lãnh đạo của Condensed cho biết Nhóm lý thuyết vật chất trong Khoa vật lý và vật liệu ngưng tụ (CMPMS) của Brookhaven Lab. “Chúng tôi cũng xác định số lượng fermion Majorana bạn sẽ nhận được nếu bạn kết hợp các pha từ tính nhất định.”
Đối với nghiên cứu lý thuyết của họ, các nhà khoa học tập trung vào các vật liệu từ tính gọi là thang quay, là tinh thể hình thành từ các nguyên tử có cấu trúc ba chiều (3-D) được chia thành các chuỗi trông giống như thang. Mặc dù các nhà khoa học đã nghiên cứu các tính chất của hệ thống thang quay trong nhiều năm và dự kiến rằng chúng sẽ tạo ra các fermion Majorana, nhưng họ không biết có bao nhiêu. Để thực hiện các tính toán của họ, họ đã áp dụng khung toán học của lý thuyết trường lượng tử để mô tả vật lý cơ bản của các hạt cơ bản và phương pháp số (nhóm tái chuẩn hóa ma trận mật độ) để mô phỏng các hệ lượng tử có electron hoạt động theo cách tương quan mạnh.
“Chúng tôi đã rất ngạc nhiên khi biết rằng đối với các cấu hình nhất định của các pha từ tính, chúng tôi có thể tạo ra nhiều hơn một fermion Majorana ở mỗi ranh giới”, Robert Konik, đồng tác giả và Chủ tịch Bộ CMPMS cho biết.
Để các fermion Majorana thực sự hữu ích trong điện toán lượng tử, chúng cần được tạo ra với số lượng lớn. Các chuyên gia điện toán tin rằng ngưỡng tối thiểu mà máy tính lượng tử sẽ có thể giải quyết các vấn đề mà máy tính cổ điển không thể là 100 qubit. Các fermion Majorana cũng phải di chuyển theo cách mà họ có thể bị vướng mắc.
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch theo dõi nghiên cứu lý thuyết của họ với các thí nghiệm sử dụng các hệ thống được thiết kế như các chấm lượng tử (các hạt bán dẫn nano) hoặc các ion bị bẫy (giam cầm). So với các tính chất của vật liệu thực, những vật liệu được thiết kế có thể dễ dàng điều chỉnh và thao tác hơn để đưa ra các ranh giới pha khác nhau nơi các fermion Majorana có thể xuất hiện.
“Những gì thế hệ máy tính lượng tử tiếp theo sẽ được tạo ra là không rõ ràng ngay bây giờ,” Konik nói. “Chúng tôi đang cố gắng tìm ra các chất thay thế tốt hơn cho các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp của thế hệ hiện tại, tương tự như cách silicon thay thế gecmani trong bóng bán dẫn. Chúng tôi đang ở giai đoạn đầu tiên để khám phá mọi khả năng có sẵn.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :