Raiso universiteto (JAV) fizikams pavyko sukurti mažytį „elektronų greitkelį“, kuris, kaip manoma, vieną gražią dieną bus panaudotas konstruojant kvantinį kompiuterį – įrenginį, savo sparta gerokai pralenksiantį dabartines skaičiavimo mašinas.

Visai neseniai žurnale „Physical Review Letters“ publikuotame darbe Raiso universiteto fizikai Rujus Du (Rui-Rui Du) ir Ivanas Knezas (Ivan Knez) aprašo naują metodą, kuris skirtas mažyčių įrenginių, vadinamų topologiniais kvantinio sukinių Holo efekto izoliatoriais, gamybai. Šis įrenginys, veikiantis kaip elektronų greitkelis, yra viena iš sudedamųjų dalių, kurios būtinos kvantinėms dalelėms, galinčioms išlaikyti ir valdyti informaciją, sukurti.

Šiuolaikiniuose kompiuteriuose naudojami dvejetainiai informacijos bitai, atitinkantys vienetukų arba nuliukų būsenas. Kvantiniuose kompiuteriuose bus naudojami kvantiniai bitai, arba kubitai, galintys užimti vienetukų ir nuliukų būsenas tuo pačiu metu, mat čia ima galioti keistieji kvantinės mechanikos dėsniai.

Kaip pažymi Raiso universiteto fizikos ir astronomijos profesorius R. Du, kvantinės keistenybės leis kvantiniams kompiuteriams itin sparčiai atlikti tam tikras specializuotas užduotis. Pavyzdžiui, iššifruojant kodus, modeliuojant klimatą arba atliekant biomedicininį modeliavimą.

„Iš esmės tam, kad sukurtume galingą kompiuterį, mums nereikia didelio kubitų skaičiaus, – teigia jis. – Kalbant apie informacijos tankį, silicio pagrindo mikroprocesorius, sudarytas iš apytikriai 1 milijardo kubitų, prilygtų maždaug 30 kubitų kvantiniams procesoriui.“

Kvantinių kompiuterių kūrimo lenktynėse tyrėjai bando taikyti įvairius kubitų konstravimo metodus. Tačiau visi metodai susiduria su ta pačia problema – bėgant laikui dėl kvantinių fluktuacijų kubitai praranda saugomą informaciją. Šis reiškinys vadinamas atsparumu įtakai.

Metodas, kurį bando įgyvendinti Raiso universiteto fizikai, yra vadinamas topologine kvantine kompiuterija. Manoma, jog topologinė konstrukcija turėtų būti atsparesnė kvantiniams triukšmams, nes kiekvieną tokio įrenginio kubitą sudarys kvantinių dalelių pora, kuri ypatinga tuo, kad jų tapatumas yra stabilus ir nekintantis. Fizikai bando sukurti arba eksperimentiškai išskirti vieną iš tokių stabilių dalelių porų, kurias sudaro vadinamieji Majorano fermionai.

Nors apie vaiduokliškųjų Majorano fermionų egzistavimą iš teorinės pusės jau buvo žinoma 1937 metais, bandymai juos sukurti luste prasidėjo tiktai dabar. Iš tikrųjų fizikai mano, jog šias daleles galima išgauti susiejant superlaidininką su dvimačiu topologiniu izoliatoriumi – tokiu, kokį yra pagaminę minėtieji Raiso universiteto fizikai.

Topologiniai izoliatoriai yra ganėtinai keisti dariniai: nors srovė jų vidumi negali tekėti, ji sugeba prasiskinti sau kelią siauromis jų briaunomis. Kaip pasakoja I. Knezas, jeigu mažą topologinio izoliatoriaus kvadratuką pridėtume prie superlaidininko, paslaptingieji Majorano fermionai turėtų pasirodyti šių medžiagų sandūros vietoje. Jeigu paaiškės, jog tai yra tiesa, tokie įrenginiai galėtų būti panaudoti konstruojant kvantinių kompiuterių kubitus.

I. Knezas daugiau nei metus tobulino topologinių izoliatorių gamybos technologiją. Šį įrenginį sudaro puslaidininkis, paprastai naudojamas naktinio matymo prietaisų gamyboje. Kaip užsimena R. Du, tai pirmasis dvimatis topologinis izoliatorius, pagamintas iš medžiagos, kurią fizikai žino kaip reikėtų prijungti prie superlaidininko.

„Mes labai neblogai pasiruošėme kitam žingsniui, – teigia mokslininkai. – Tačiau tiktai eksperimentai gali parodyti, kur reikėtų ieškoti Majorano fermionų ir ar šie dariniai yra tinkami stabiliems kubitams kurti.“