W marcu 2022 r. firma Microsoft opublikowała wyniki badań dotyczące realizacji specjalnego rodzaju cząstek, które mogłyby zostać wykorzystane do wytworzenia szczególnie wytrzymałych bitów kwantowych. Naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei podają teraz w wątpliwość te wyniki dotyczące tak zwanych cząstek Majorany: poprzez obliczenia wykazali, że odkrycia można również wyjaśnić inaczej.

W 1938 roku geniusz nagle zniknął bez śladu: po kupieniu biletu na prom z Palermo do Neapolu młody włoski fizyk Ettore Majorana pozornie zniknął z powierzchni ziemi. Zaledwie kilka miesięcy wcześniej postulował bardzo niezwykły typ cząstki. Cząsteczki te miały być swoimi własnymi antycząstkami i nie przenosić ładunku elektrycznego.

W ostatnich latach wśród fizyków ponownie wzrosło zainteresowanie tymi tajemniczymi cząstkami, które noszą imię ich zaginionego wynalazcy (którego zniknięcie do dziś nie zostało wyjaśnione). Okazuje się, że cząstki te mogą zostać wykorzystane jako szczególnie wytrzymałe bity kwantowe w komputerach kwantowych.

Największą przeszkodą w budowie takich komputerów, które obiecują niewiarygodną moc obliczeniową, jest dekoherencja, czyli fakt, że zakłócenia z otoczenia mogą bardzo szybko zniszczyć wrażliwe stany kwantowe, za pomocą których komputery kwantowe wykonują obliczenia. Gdyby jednak można było użyć cząstek Majorany jako bitów kwantowych, problem ten mógłby zostać natychmiast rozwiązany, ponieważ mają one wbudowaną odporność na dekoherencję ze względu na swoje specjalne właściwości.

Stłumione oczekiwania

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego, naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei stłumili oczekiwania dotyczące wykorzystania cząstek Majorany do obliczeń w najbliższej przyszłości. Zespół kierowany przez prof. Jelenę Klinovaja wykazał, że opublikowane przez Microsoft w 2022 roku wyniki, według których w laboratoriach firmy wykryto cząsteczki Majorany, mogą jednak nie trzymać w napięciu.

„Ścieżka, którą Microsoft podąża w swoich eksperymentach, jest z pewnością słuszna” — mówi dr Richard David Hess. student i pierwszy autor badania, „ale nasze obliczenia sugerują, że dane pomiarowe można również wyjaśnić innymi efektami, które nie mają nic wspólnego z cząstkami Majorany”.

Poszukiwanie egzotycznych cząstek to praca detektywistyczna na najwyższym poziomie, a śledczy muszą polegać tylko na kilku poszlakach. Szukają tych wskazówek za pomocą nanoprzewodu wykonanego z materiału półprzewodnikowego, tysiąc razy cieńszego niż ludzki włos, połączonego z nadprzewodnikiem. Podejrzewa się, że w takim systemie elektrony i dziury w półprzewodniku mogą łączyć się w pary, tworząc kwazicząstki, które zachowują się jak cząstki Majorany.

Charakterystyczne anomalie

Poprzez pomiary przewodności eksperci z Microsoftu wykryli anomalię charakterystyczną dla takich stanów Majorany, a także wykazali, że nadprzewodnikowe właściwości kombinacji nadprzewodnik-nanodrut reagują na przyłożone pole magnetyczne w sposób sugerujący obecność tzw. faza topologiczna.

W matematyce topologię można zilustrować, patrząc np. nie w sferę (brak „dziury”). Z kolei w stanach Majorany topologia jest odpowiedzialna za ich bardzo pożądaną odporność na dekoherencję.

„Opracowaliśmy teraz matematyczny model eksperymentów Microsoftu i próbowaliśmy dowiedzieć się, czy pomiary mogą mieć inne –„ trywialne ”, w żargonie naukowym – wyjaśnienia” – wyjaśnia Henry Legg, postdoc w grupie Klinovaja. W rzeczywistości naukowcy z Bazylei doszli do wniosku, że zarówno obecna anomalia, jak i właściwości nadprzewodnictwa mogą być odtworzone przez niewielką ilość nieporządku spowodowanego zanieczyszczeniami wewnątrz nanoprzewodu.

„Nasze wyniki wyraźnie pokazują, że nieporządek odgrywa ważną rolę w takich eksperymentach” – mówi Jelena Klinovaja. Aby jednoznacznie wykrywać stany Majorany, a także wykorzystywać je w komputerach kwantowych, potrzebne będą ostatecznie jeszcze czystsze nanoprzewody. Oznacza to również, że w najbliższych latach nie zabraknie eksperymentalnych wyzwań.