Исследователи предложили измерять спонтанные отклонения тока (так называемый дробовой шум), чтобы находить микроскопические потоки тепла и особые квантовые состояния — нулевые майорановские моды. Их обнаружение позволит создать новые квантовые компьютеры, которые способны не только осуществлять большое количество одновременных вычислений, но и устойчивы к любым искажениям и помехам окружающей среды. Исследование опубликовано в журналах Physical Review B и Semiconductor Science and Technology.
В первой половине XX века итальянский физик Этторе Майорана описал частицу, которая одновременно является двойником собственной античастицы — двойником с той же массой и спином, но с остальными характеристиками противоположного знака. Если одна и та же частица заряжена положительно и в то же время отрицательно, то ее общий электрический заряд должен быть равен нулю. Такая же ситуация и с остальными свойствами. Следовательно, не существует никаких способов их измерения. Необычные «майораны», названные в честь первооткрывателя, выходили за рамки обычной физики и дали начало новому направлению сложнейших фундаментальных исследований.
Теперь же ученые из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна и Сколковского института науки и технологий совместно с зарубежными коллегами развили оригинальный способ обнаружения нулевых майорановских мод — сложнодостижимых состояний, в которых «майораны» могут иметь очень низкую (нулевую) энергию.
«Майорановские моды, предсказанные известным физиком Алексеем Китаевым еще 20 лет назад, могли бы стать основой квантовых компьютеров нового типа. Весьма интенсивные их поиски хотя и привели к настоящему технологическому прорыву, но все же пока не увенчались успехом. Во многом это связано с тем, что так называемые "майораны" не обладают ни зарядом, ни спином, а их ключевое свойство — нелокальность — сложно продемонстрировать привычными экспериментальными методами», — рассказал один из авторов исследования Вадим Храпай, заведующий лабораторией электронной кинетики Института физики твердого тела РАН.
Нелокальность — свойство, что можно повлиять на объект, непосредственно с ним не взаимодействуя, как если бы нажатие на выключатель зажгло просто лежащую на столе лампочку — по сути, сигнал передается туда, где его ожидать нельзя. Такой эксперимент провели и ученые. Они пропускали электричество по полупроводниковой проволоке толщиной менее 100 нанометров от одного контакта к другому, однако на пути тока находился сверхпроводник. Такой материал при низкой температуре не обладает сопротивлением, а потому носители зарядов должны утекать по нему как по более «удобному» пути, не достигая конечной точки. Однако в ходе эксперимента физики обнаружили тепловой (вроде бы «невозможный», а потому нелокальный) сигнал и на втором контакте, то есть исходный поток разделился — электрический заряд отправился в сверхпроводник, а тепло дальше по проволоке.
Найти тепловой сигнал ученые смогли, наблюдая за очень слабыми случайными колебаниями электрического тока, известными как дробовой шум. Такое название отражает современные представления о том, что заряд электрона неделим. Следовательно, протекание электрического тока похоже не на сплошную струю воды, а на поток дождя, в котором каждая капля (или дробинка) несет элементарный заряд. Удивительно, но шум такого «дождя» подскажет, какого размера каждая капля.
«Часто для обнаружения физического эффекта мы измеряем электрический ток, то есть среднюю величину заряда, протекающего в единицу времени. В случае, например, майорановских частиц такой подход совершенно неэффективен, поскольку каждая частица рождает положительный или отрицательный заряд с равной вероятностью. Зато, регистрируя шумы, можно измерить полное количество зарядов и величину переносимого ими тепла и уже таким образом "поймать" эту неуловимую майорану. Подобный скрытый эффект не только красив сам по себе, но и мог бы оказаться полезным при разработке особо устойчивых квантовых компьютеров», — объяснил Вадим Храпай.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
