Ayer, tres miembros del equipo cuántico de Microsoft presentado su trabajo hacia un topológico computadora cuántica al Cumbre international de APS En Anaheim. El mes pasado, el equipo hizo olas anuncio su primer chip cuántico topológico, el Majorana 1. Más silenciosamente, Nokia Bell Labs ha sido trabajar en su propia versión de una computadora cuántica topológica, y la compañía afirma que es demostrado Los ingredientes clave en 2023. Ambos esfuerzos representan logros científicos, pero la evidencia a prueba de balas de un bit cuántico topológico es difícil de alcanzar.
“Yo diría todo computación cuántica son las primeras etapas ”, cube Bertrand Halperinprofesor emérito de física en Cosechaque no está involucrado en ninguno de los esfuerzos. “Pero la computación cuántica topológica está más atrás. Podría ponerse al día; está tomando un camino algo diferente”.
¿Qué es una computadora cuántica topológica?
Computadoras cuánticas seguir corriendo qubits valorado en 0, 1 o algunos superposición De los dos, generalmente codificados a través de una propiedad cuántica native, por ejemplo, si el giro de un electrón está hacia arriba o hacia abajo. Esto le da a las computadoras cuánticas diferentes capacidades que sus primos clásicos, que prometen descifrar fácilmente ciertos tipos de problemas que están fuera del alcance de incluso los más grandes supercomputadoras. El problema es que estas superposiciones cuánticas son muy frágiles. Cualquier ruido en el entorno, ya sea fluctuaciones de temperatura o pequeños cambios en el eléctrico o campos magnéticospuede tocar qubits por superposición, causando errores.
La computación cuántica topológica es un enfoque fundamentalmente diferente para construir un qubit, uno que en teoría sería mucho menos frágil. La thought es que, en lugar de usar alguna propiedad native para codificar el qubit, utilizaría una propiedad international y topológica de todo un mar de electrones. Topología es un campo de matemáticas Eso se ocupa de las formas: dos formas son topológicamente idénticas si se pueden transformar entre sí sin desgarrar nuevos agujeros o conectar extremos previamente no conectados. Por ejemplo, una cuerda infinita que se extiende al espacio es topológicamente distinta de la misma cuerda con un nudo.
Los electrones pueden “torcerse” entre sí para formar algo comparable a un nudo. Este nudo es más difícil de atar o desatar, ofreciendo protección contra el ruido. (Esta es una analogía: los qubits no serían nudos literales. Para una explicación técnica completa, ver Esta introducción “corta”.)
El problema es que los electrones a menudo no se giran naturalmente en nudos. Los teóricos tienen postulado Tales estados podrían existirDurante décadas, pero crear las condiciones adecuadas para que surjan en la práctica ha sido difícil de alcanzar. Es extremadamente difícil hacer dispositivos que puedan dar lugar a electrones anudados, y posiblemente sea aún más difícil probar que uno lo ha hecho.
“Quantraversy” de Microsoft
El Microsoft El enfoque del equipo para crear electrones anudados es comenzar con un semiconductivo nanocable. Entonces, se aplican un superconductor materials sobre este nanocable. Tanto el semiconductor como superconductor Las capas deben estar casi completamente desprovistas de defectos materiales, y mantenidos a temperaturas de Millikelvin. En teoría, esto permite que un electrón de la capa semiconductora use el superconductor para extenderse de manera efectiva sobre todo el cable, formando algo comparable a una cuerda que se puede atar en nudos. Esta cuerda se llama Modo cero de Majorana.
Definitivamente demostrar que han creado un modo cero de Majorana han resultado difícil para el equipo de Microsoft. El equipo y sus colaboradores afirmaron que habían logrado este hito en 2018, pero algunos investigadores fueron poco convencido Según la evidencia, decir que las imperfecciones en el dispositivo podrían haber resultado en las mismas mediciones. El papel tiene retraído. En 2023, Microsoft y colaboradores publicado evidencia adicional de que han creado Majoranas, aunque algunos científicos han permanecido poco convencidoy decir No se compartieron suficientes datos para reproducir los resultados. El mes pasado afirmar restos contencioso.
“Estamos muy seguros de que nuestros dispositivos alojan modos cero de Majorana”, cube Chetan nayakel líder del esfuerzo de Microsoft.
“No hay evidencia de ni siquiera la física básica de Majoranas en estos dispositivos, y mucho menos que podría construir un qubit de ellos”, cube Henry Leggprofesor de la Universidad de St. Andrews que ha sido autor dos preimpresión disputando los resultados de Microsoft.
“Probablemente todos estamos de acuerdo en que se necesitan más experimentos y mejores datos antes de que el problema pueda considerarse cerrado”, cube Halperin de Harvard.
Si el equipo de Microsoft ha creado o no modos de Majorana Zero, hacerlos es solo el primer paso. El equipo también tiene que demostrar que se pueden manipular para hacer cálculos. Se requieren varios tipos de operaciones para hacer el tipo de nudo que representa 0, desatarlo y atarlo en un nudo que representa 1, o crear una superposición cuántica de los dos.
El mas reciente papel demostró la capacidad del equipo de hacer una de las mediciones necesarias. “Es un gran paso”, cube Jay Sauprofesor de física en la Universidad de Maryland quien tiene una cita de consultoría con el equipo de Microsoft.
En un movimiento inusual, el equipo cuántico de Microsoft celebró una reunión de acceso limitado en su sede en Estación Qe invitó a varios investigadores en el campo. Allí, revelaron resultados preliminares demostrando otra medición de este tipo.
“Todavía hay bastante trabajo por hacer en ese lado”, cube Michael Egglestonlíder de datos y dispositivos en Nokiaquien estuvo presente en la reunión de la estación Q. “Hay mucho ruido en ese sistema. Pero creo que están en un buen camino”.
En resumen, el equipo de Microsoft aún no ha alcanzado el hito en el que la comunidad científica estaría de acuerdo en que han creado un solo qubit topológico.
“Tienen un chip conceptual que tiene ocho qubits fabricados litográficamente”, cube Eggleston. “Pero no son qubits funcionales, esa es la letra pequeña. Es su concepto de lo que se están moviendo”.
Nokia Bell Labs Los investigadores de computación cuántica Hasan Siddiquee (derecha) e Ian Crawley conectan un cargador de muestra de refrigerador de dilución para el tiempo de reutilización.Nokia Bell Labs
El enfoque de Nokia
Un equipo de Nokia Bell Labs también está persiguiendo el sueño de computadoras cuánticas topológicasaunque a través de una implementación física diferente. El equipo, dirigido por para toda la vida devoto topológico de computación cuántica Robert Willetestá intercalando una hoja delgada de Arsenide de Gallium Entre otras dos losas semiconductoras. Luego se enfrían el sándwich a las temperaturas de Millikelviny someterlo a un campo magnético fuerte. Si las propiedades del dispositivo son correctas, esto podría dar lugar a una versión bidimensional de un estado electrónico international que puede ser anudado. Un qubit requeriría tanto la creación de este estado como la capacidad de nudarse y desanimarse controlablemente.
Robert Willet y sus colaboradores también han tenido problemas para convencer a la comunidad científica de que lo que tenían en sus manos son realmente los estados topológicos altamente codiciados.
“Estamos muy seguros de que tenemos un estado topológico”, cube el Eggleston de Nokia, quien supervisa el esfuerzo de computación cuántica.
“Me parece razonablemente convincente”, cube Halperin de Harvard. “Pero no todos estarían de acuerdo”.
El equipo de Nokia aún no ha reclamado la capacidad de realizar operaciones con el dispositivo. Eggleston cube que están trabajando para demostrar estas operaciones, y planean tener resultados en el segundo trimestre de este año.
Probando estados cuánticos topológicos
Probar los ingredientes topológicos necesarios más allá de la sombra de una duda sigue siendo difícil de alcanzar. Hablando prácticamente, lo más importante no es si el estado topológico exótico puede ser presente, sino si los investigadores pueden construir un qubit que sea controlable y mucho más robusto contra el ruido que los enfoques que son más maduros.
El equipo de Nokia afirma que pueden mantener superposiciones cuánticas sin errores durante días, aunque aún no pueden controlarlas. Los datos revelados por Microsoft en la reunión de la estación Q muestran que sus dispositivos siguen siendo libres de errores para 5 microsegundospero creen que esto puede mejorarse. (Para comparación, una tradición superconductor de qubit en la computadora cuántica de IBM sigue sin errores para hasta 400 microsegundos).
“Siempre habrá personas que no necesariamente están de acuerdo o quieran más datos”, cube Egglestein de Nokia, “y creo que esa es la fortaleza de la comunidad científica para pedir más.
“Creo que en algún momento vas al régimen donde es un qubit razonablemente bueno, ya sea precisamente topológico o no, ese se convierte en el punto del debate”, cube Sau de Maryland. “Pero en ese momento es más útil preguntar qué tan bueno o malo es un qubit”.
A pesar de las dificultades, la computación cuántica topológica sigue siendo, al menos teóricamente, un enfoque muy prometedor.
“Miro estos otros tipos de qubit que vemos hoy. Son muy buenas demostraciones. Es una gran ciencia. Es una ingeniería realmente difícil. Desafortunadamente, es como el tubo vacío En los años 40 “, cube Egglestein.” Les construyes computadoras porque eso es todo lo que tienes, y realmente son difíciles de escalar. Para mí, los qubits topológicos realmente ofrecen el potencial que hizo el transistor. Algo pequeño, algo robusto, algo escalable. Y eso es lo que creo que es el futuro de la computación cuántica “.
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