Làm thế nào các hạt Majorana có thể được sử dụng để cải thiện máy tính lượng tử?

Thông cáo báo chí gần đây tuyên bố rằng các phép đo được cải thiện mang lại bằng chứng cuối cùng về các hạt Majorana gần hơn bao giờ hết , trong đó tóm tắt kết quả của một bài báo gần đây trong Tự nhiên có tên đơn giản là " Độ dẫn lượng tử Majorana " tuyên bố rằng

Nhờ các đặc tính vật lý độc đáo của chúng, các hạt Majorana ổn định hơn nhiều so với hầu hết các qubit khác.

Tại sao điều này sẽ là trường hợp (ít nhất là về lý thuyết). Là cách tiếp cận qubit với các hạt Majorana được coi là hợp lệ, hay chúng bị bao quanh bởi sự hoài nghi?

Majorana là anyons (một loại quasiparticles wich khác với fermion và boson), và do đó có liên quan đến ý tưởng tính toán lượng tử tôpô . Điều này có nghĩa là việc triển khai tốt phải có các thuộc tính giúp xử lý nhiễu tích hợp. Vấn đề chính của chúng là khó chuẩn bị các hệ thống vật lý hoạt động như các hạt Majorana.

Một cách để xây dựng Majorana là với các dây nano siêu dẫn. Đây là loại mà thông cáo báo chí và giấy đang đề cập đến. Những thứ này sẽ thực sự hoạt động tốt chứ? Chúng ta sẽ thấy. Họ sẽ tốt hơn so với các qubit khác? Chúng ta sẽ thấy.

Một cách khác để xây dựng Majorana là bằng cách thực hiện biến dạng mã trong mã bề mặt (một họ mã được sửa lỗi lượng tử). Ví dụ có thể được tìm thấy trong bài báo này (trong đó tôi là tác giả): Chọc lỗ và cắt góc để đạt được cổng Clifford với mã bề mặt . Chúng có thể sẽ hoạt động khá tốt. Mặc dù vậy, chúng sẽ không có nhiều ưu điểm so với các phương pháp chính hơn, bởi vì sử dụng các khiếm khuyết trong mã bề mặt là phương pháp chủ đạo nhất (cho dù chúng có phải là Majorana hay không).

Có nhiều cách khác để chúng ta có thể lừa Majorana. Nhưng theo tôi biết, không ai đang được tích cực theo đuổi.

Tôi đã nghe một sự tương tự thú vị làm sáng tỏ tình hình cho tôi, vì vậy tôi sẽ chia sẻ nó ở đây. Các fermion Majorana dựa trên cấu trúc liên kết; chúng ta hãy xem loại "top" nghĩa là gì.

Cấu trúc liên kết nhìn vào bức tranh lớn hơn. Nếu bạn có một quả bóng bay, cho dù bạn thổi nó bao nhiêu, lấy không khí ra hoặc buộc nó lại trong các nút thắt (nếu bạn là một nghệ sĩ bóng bay), nó vẫn không có lỗ hổng trong đó. Có lỗ hổng sẽ làm cho nó về cơ bản khác nhau. Bạn có thể kéo dài và thu nhỏ và xoắn một quả cầu tất cả những gì bạn muốn, nhưng nó sẽ không bao giờ biến thành một chiếc bánh rán. Tuy nhiên, nếu bạn lấy một chiếc bánh rán, bạn có thể xoắn nó thành đủ thứ có lỗ - nhưng bạn không bao giờ có thể tạo ra thứ gì đó không có lỗ, như hình cầu, hoặc có hai hoặc nhiều lỗ.

Một ví dụ khác về cấu trúc liên kết nhìn vào bức tranh lớn hơn. Lấy một quả bóng (một lần nữa) và phóng to trên bề mặt của nó. Mặc dù khinh khí cầu bị cong khi bạn phóng to, nhưng khi bạn phóng to, nó trông giống như một mặt phẳng Euclide 2 chiều. Nếu bạn phóng to một vòng tròn, nó trông giống như một mặt phẳng Euclide 1-d. Các vòng xoắn nhỏ và biến không quan trọng trong cấu trúc liên kết.

Chúng ta hãy mang điều này trở lại với fermion Majorana. Chúng ta hãy hình dung một hệ thống mà chúng ta đang đăng ký nếu electron đi khắp một cái cây hay không. Không quan trọng là điện tử có một đường dẫn thực sự nguệch ngoạc hay chỉ là một đường tròn đơn giản - nó vẫn đi xung quanh.

Tiếng ồn được giới thiệu trong các hệ thống này có thể làm cho đường đi của electron bị vặn vẹo hoặc có thể không, nhưng nó không thực sự quan trọng . Nó vẫn đi xung quanh. Đó là lợi thế của fermion Majorana nằm ở chỗ - tiếng ồn không ảnh hưởng đến nó.

Rõ ràng điều này không nghiêm ngặt; Tôi sẽ cố gắng thêm nhiều thứ làm sáng tỏ điều đó khi tôi có thời gian.