Majoranovy kvazičástice a jejich přísliby

Průlom v technologii kvantových počítačů

Zvláštní kategorii kvantových počítačů vyvíjí Microsoft – a v průběhu února se objevily zprávy o tom, že se jim podařil zásadní průlom pokud jde o stabilitu qubitů. Oznámili nový a průlomový čip Majorana 1, který přináší zcela odlišný princip tvorby nízkoteplotních qubitů. Jsou založené na zvláštní ideji, která se nazývá Majoranovy kvazičástice – a ta je docela neobvyklá i na poměry kvantových počítačů.

Co jsou kvazičástice?

První pojem, který musíme dekódovat, je pojem kvazičástice. Kvazičástice není skutečná částice, ale je to kolektivní chování jiných částic, které se objevuje v jejich velkých celcích. Tomuto novému chování celků částic se říká emergentní chování a přináší zcela nové kvality. Z klasických polovodičů tak například známe pojem „elektronová díra“, který označuje absenci elektronu ve struktuře – ta se chová jako by to byla kladně nabitá částice.

Majoranovy částice a jejich historie

Samotné Majoranovy částice byly navrženy italským teoretickým fyzikem Ettore Majoranou v roce 1937. Tento významný fyzik přišel s myšlenkou, že na rozdíl od známých fermionů, které existují v podobě částice a antičástice (snad až na neutrina), by Majoranovy částice byly fermiony, které by zároveň byly svou vlastní antičásticí, tedy ve vzájemném kontaktu by zanikly.

Tyto částice jsou zcela teoretické a i když je kvantově mechanické zákony připouštějí, zatím nebyly v realitě nalezeny. Výzkumníkům v Basileji se ale v roce 2016 podařilo Majoranovy stavy tvořené elektrony vytvořit na koncích nanodrátků z jedné řady atomů železa. Tyto stavy vznikají obvykle v párech a velmi rychle zanikají, ale v případě nanodrátků se je dařilo držet oddělené, přesto navzájem propojené ve stavu, který se rozprostíral přes celý nanodrátek.

Topologické qubity a jejich výhody

Zásadním rysem Majoranových stavů je to, že mohou vytvářet podstatně stabilnější qubity. Protože jde o kvazičástice svázané s nanodrátky a jde tedy vlastně o celou strukturu, nazývají se tyto qubity topologické qubity. Tento qubit je tvořen prostorovou strukturou, která je tvořena Majoranovými kvazičásticemi na koncích drátků, které jsou od sebe odděleny prostorovou (topologickou) bariérou. Pomocí ní je možné qubit ovládat a uvádět ho do stavů, kdy zachytí sudý nebo lichý počet elektronů. Proto v Microsoftu mluví o „tvorbě nového topologického stavu hmoty“ – Majoranovy kvazičástice mohou existovat jen za přesně daných podmínek v celé struktuře.

Odolnost proti dekoherenci

Topologická bariéra udržuje stav qubitu a zároveň ho činí podstatně odolnějším proti dekoherenci způsobené šumem okolí. Podle údajů Microsoftu je sto až tisíckrát odolnější než jiné qubity, což je zásadní výhoda při škálování kvantových počítačů. Ve velkých systémech se nedá šumu a jím působené dekoherenci vyhnout – a je to možné řešit dvěma způsoby. Tím prvním je zvýšení odolnosti qubitů a tím druhým jsou mechanismy kvantové korekce – a používat bude nutné asi obojí.

Budoucnost topologických qubitů

Microsoft zatím vytvořil čip Majorana 1 s osmi qubity založenými na Majoranových stavech, ale předpokládají, že díky vyšší stabilitě by měly otevřít rychlejší a spolehlivější cestu k počítačům s miliony qubitů. Topologické qubity podle nich vyžadují jenom digitální kontrolu, což je činí podstatně jednoduššími a lépe ovladatelnými, což je zásadní pro jejich škálování, tedy tvorbu čipů se stále větším počtem qubitů.

Michal Rybka

Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.