Forradalmi felfedezés hozhatja el a kvantumszámítógépek korát

A kvantummechanika nagy kérdése, mint például a sötét anyag problematikája, még megoldásra várnak

A kvantummechanika világa a hétköznapi ember számára nagyon távoli és különös valószínűségi szabályokkal irányított világ. A részecskefizikai ismereteink a kvantummechanika forradalma óta hihetetlen mértékben kitágultak, jelentősen hozzájárulva technológiai fejlődésünkhöz. A felfedezések sorában ismét egy kiemelkedő állomáshoz érkeztünk, ami elhozhatja a jövő kvantumszámítógépeit. 

A spin mint alapvető részecsketulajdonság

Az elemi részecskék egyik legalapvetőbb tulajdonsága az úgynevezett spin, amit nem könnyű szemléletesen megközelíteni. Definíció szerint a spin a részecskék saját, belső impulzusmomentumával áll összefüggésben.

A szubatomi világban zajló folyamatok szinte felfoghatatlanok az emberi elme számára Forrás: Tumbrl

A klasszikus fizika értelmében

az impulzusmomentum egy test forgási mozgásállapotát jellemző mennyiség,

azonban egy részecske esetében ez a kép nehezen értelmezhető, hiszen egy pontszerű részecske, amely ráadásul hullámként is viselkedhet, nem éppen egy kiterjedt, forgó objektumnak tűnik.

Az anyagi részecskék három családja Forrás: Wikimedia Commons

Pontosabb megközelítésben egy részecske spinje a kvantummechanikában a részecskét leíró hullámfüggvény egyes tulajdonságait jellemző mennyiség.

Az egész spinű részecskéket nevezzük bozonoknak, míg a feles spinű részecskéket fermionoknak.

A két részecskecsalád között éles a válaszvonal, számos szempontból teljesen eltérően viselkednek, és más törvényszerűségeket követnek.

A fény elemi részecskéje, a foton a bozonok családjába tartozik Forrás: Physics World

A bozonok közé tartozik például a fény részecskéje, a foton is. A fermionok közé soroljuk például az elektronokat, a nukleonokat (a neutront és a protont), de a leptonok és a kvarkok is ide tartoznak.

A Majorana-fermionok

Az úgynevezett Majorana-fermionok fontosságának megértéséhez egészen a kvantummechanika kezdetéig, 1928-ig kell visszanyúlnunk, amikor Paul Dirac megalkotta a róla elnevezett egyenletet, amelyben egyértelműen megjósolta az antianyag létezését.

Az antianyag nagyon hasonló a „normális” anyaghoz,

azonban számos tulajdonságában eltérő viselkedést mutat (például egy adott részecske antirészecskéje ellentétes töltéssel rendelkezik).

Ettore Majorana (1906–1959) olasz elméleti fizikus Forrás: Wikimedia Commons

A fizika Standard Modellje számos alapvető fermiont ír le, amelyek antirészecskéit Dirac egyenlete előre megjósolta.

Egy részecske-antirészecske páros fontos tulajdonsága, hogy találkozásukkor megsemmisítik egymást (annihiláció),

miközben energia szabadul fel a részecskepáros nyugalmi tömegének megfelelően.

A kvantummechanika nagy kérdése, mint például a sötét anyag problematikája, még megoldásra várnak Forrás: CERN

1937-ben Ettore Majorana olasz fizikus kicsit átvariálta Dirac egyenletét, amelyből olyan fermionok következtek, amelyek önmaguk antirészecskéi egyben, vagyis ahol a részecske és az antirészecskéje azonos önmagával.

Ezek a Majorana-fermionok,

amelyeket a Majorana-egyenlet ír le.

A tudományos gondolkodásban forradalmat előidéző kvantummechanika alig egy évszázados múltra tekint vissza csupán Forrás: Youtube

A Majorana-fermionok semleges elektromos töltéssel és feles spinnel kell hogy rendelkezzenek.

A Standard Modell összes elemi fermionja rendelkezik elektromos töltéssel, kivéve a neutrínókat,

így csupán a háromféle neutrínó és ezek antirészecskéi lehetnek jelöltek Majorana-fermionra, de az sem kizárt, hogy a keresett titokzatos sötét anyag is Majorana-fermiomokból épül fel. Azonban hosszú ideig nem sikerült egyértelmű bizonyítékot találni a természetben előforduló ilyen jellegű fermionok létezésére.

A kvantumszámítógépek forradalma?

Mivel a Majorana-fermion egyben önmaga antirészecskéje is, így lényegesen jobb a stabilitása a többi fermion részecske-antirészecske párokhoz viszonyítva.

A kvantumszámítógépek esetében az elektronok által hordozott információ összetettebb, mint a hagyományos társaiknál.

Ez annak köszönhető, hogy nem csupán a logikai nullát és egyes számot képesek tárolni, hanem ezeknek az alapinformációknak egyfajta közös keverékét, közös kvantumállapotát is.

A legújabb felfedezés talán megnyithatja az utat a kvantumszámítógépek kifejlesztéséhez Forrás: Tumbrl

Ezt a különleges állapotot hívjuk kvantum-összefonódásnak, amely korlátlan számú kombinációs lehetőséget tartalmaz,

és így kitágítja a számítógép képességeit,

számítási kapacitásait olyan feladatok elvégzését is lehetővé téve, amelyekre a hagyományos számítógépek képtelenek lennének. A legnagyobb technológiai nehézség azonban az információ megőrzése, mivel az információt hordozó részecske és a környező anyag kölcsönhatásaiban az információ nagyon könnyen elveszhet.

A kvantumszámítógépek egészen új dimenziót nyitnának a számítástechnikában Forrás: Physics World

Itt lép be a Majorana-fermionok szerepe, mivel ezek semleges elektromos töltésűek, lényegesen stabilabbak egyéb fermion társaiknál,

és ezáltal a kvantuminformációt is stabilabban őrizhetik meg.

Ezért lehetnek a jövő kvantumszámítógépeiben az információhordozó részecskék kiváló jelöltjei.

A Majorana-fermionok első nyomai

A Majorana-fermionok megfigyelése más természetű kísérleteket követel, mint például a Higgs-bozon felfedezése.

Részlet a nagy hadronütköztető rendszeréből Forrás: CERN

Az utóbbihoz nagy energiájú részecskegyorsítóban történő ütközések eredményeit vizsgáljuk, azonban a Majorana-fermion nyomainak kereséséhez

speciálisan összeállított anyagok kísérletileg meghatározható tulajdonságait kell vizsgálnunk,

hogy az adott anyagban jelen lévő részecskére következtethessünk.

Peter Higgs, brit Nobel-díjas fizikus, a róla elnevezett Higgs-bozon felfedezője. A Majorana-fermionok azonosítása teljesen más módszert igényel, mint a Higgs-bozon kimutatása Forrás: AFP/Graham Stuart

2001-ben Alexej Kitajev elméletileg megjósolta, hogy megfelelő körülmények között Majorana-fermionok keletkezésére kell számítani a szupravezetőkben. (A szupravezetés során bizonyos anyagok extrém alacsony hőmérsékleten elvesztik elektromos ellenálló képességüket.) 2012-ben a Delft Egyetemen egy kutatócsoport szupravezetést hozott létre félvezetőben, majd feltételezésük szerint a Majorana-fermionokra utaló jeleket detektáltak.

A kvantumfizikában várhatók még forradalmi felfedezések Forrás: Chris Stacey/ Griffith University

A további kísérletekben is hasonló eredményekre jutottak, ahol - megfelelő körülmények között – ugyancsak a Majorana-fermionra utaló nyomokat találtak.

A legújabb felfedezések nyomában

A Cambridge-i Egyetem kutatói az eddigi eredményeknél is továbbjutottak, és a Majorana-fermionok létezésének egyértelmű jeleire bukkantak, összhangban a Kitajev által megjósoltakkal.

Lényegében az anyag egy újfajta kvantumállapotát sikerült beazonosítaniuk, az úgynevezett kvantum spin folyadékot.

A kvantum spin folyadék állapot meghatározott mágneses anyagokban rejtőzik, az egyes különálló spinek egyfajta összefonódásából, kölcsönhatásából jön létre. E különleges állapot lehet az első komoly lépés a kvantumszámítógépek megalkotása felé vezető úton. Egy tipikus mágneses anyagban az elektronok kis, önálló mágnesként viselkednek.

A kvantum spin folyadék állapot lehet az első komoly lépés a kvantumszámítógépek megalkotása felé vezető úton Forrás: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

Ha az anyagot eléggé lehűtjük, akkor az egyes kis mágnesek egymást azonos irányba rendezik. A spin folyadék esetében azonban még abszolút nulla fokon sem jön létre ilyen állapot, mivel a kvantumfluktuációk teljesen rendezetlenné teszik a képet.

A szubatomi folyamatokat csak bonyolult és komoly eszközigényt igénylő kísérletekkel tanulmányozhatjuk Forrás: Tumbrl

Egyáltalán nem egyértelmű, még a kutatók számára sem, hogy vajon mit kell keresnünk, ha egy ilyen kvantum spin folyadékot szeretnénk megvizsgálni? A Cambridge-i Egyetem kutatói semleges töltésű neutronok szóródási mintázatát vizsgálták ruténium-kloridban (RuCl₃).

Forrás: Physics World

Noha egy hagyományos mágneses anyag által produkált szórásminta jól ismert, azonban egészen más mintázat várható a Majorana-fermionoktól egy kvantum spin folyadékban.

Az elméleti várakozások és a kísérleti eredmények jól egyeztek a neutron-szóráskísérletek során,

így sikerült egyértelmű kísérleti bizonyítékokat találni a Majorana-fermionok és a kvantum spin állapot létezésére a ruténium-kloridban. A forradalmi jelentőségű felfedezés új lehetőségeket nyithat meg a kvantumszámítógépek kutatása terén, és a fundamentális részecskefizikában is.

(A szerző asztrofizikus, az MTA kutatója)