Language
Country/Area
No result found
Удивительное путешествие в квантовую физику: как возникают нулевые моды Майораны в сверхпроводниках?
Фермионы Майораны, выведенные из теории, предложенной итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 году, представляют собой тип фермионов, которые являются своими собственными античастицами. Напротив, обычные фермионы Дирака не являются своими собственными античастицами. Майорановские фермионы являются чрезвычайно особенными среди частиц в стандартной модели. За исключением нейтрино, все остальные частицы можно рассматривать как дираковские фермионы. Что касается природы нейтрино, то она пока не определена. Это могут быть фермионы Майораны или фермионы Дирака.
Концепция фермионов Майораны также находит свое распространение в физике конденсированного состояния, возникая из коллективного движения сильно связанных состояний, которые часто называют нулевыми модами Майораны.
В сверхпроводниках возникновение нулевых мод Майораны обусловлено уникальной электронно-дырочной симметрией сверхпроводников. Это позволяет квазичастицам в сверхпроводящих материалах действовать как фермионы Майораны, обеспечивая экспериментальную платформу для изучения этого явления. Существование этих нулевых мод — не только замечательная теоретическая идея, но и может сыграть важную роль в будущем квантовых вычислений. Основная теория Майораны
Концепция Майораны возникла из существования электрически нейтральных частиц со спином 1/2, которые можно описать истинным волновым уравнением. Открытие уравнений Майораны позволило рассматривать эти частицы по сути как их собственные античастицы, установленные посредством комплексно-сопряженных отношений. В отличие от фермионов Дирака, операторы рождения и уничтожения фермионов Майораны одинаковы, что дает новое понимание их поведения.
Нулевые моды Майораны характеризуются неабелевыми статистическими свойствами, что позволяет выполнять логические операции над этими модами в квантовых вычислениях.
Например, в некоторых сверхпроводящих материалах нулевые моды Майораны могут захватываться на границах раздела или дефектах, образуя так называемые связанные состояния Майораны. Статистическое поведение этих связанных состояний сильно отличается от поведения обычных фермионов, что открывает новые возможности для экспериментального исследования возможностей квантовых вычислений.
Экспериментальный прогресс
Поскольку научное сообщество продолжает углублять свои исследования нулевых мод Майораны, все больше и больше экспериментальных результатов подтверждают их. В 2008 году крупное исследование предсказало, что связанные состояния Майораны могут возникать на границе раздела топологических изоляторов и сверхпроводников. Впоследствии все больше экспериментов обнаружили признаки нулевых мод Майораны, включая эксперимент в Делфтском технологическом университете в Нидерландах в 2012 году, который наблюдал связывание Майораны на обоих концах при определенных условиях. Пик проводимости, вызванный состоянием.
Ученые использовали технологию низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии для наблюдения характерных сигналов связанных состояний Майораны, которые заложили основу будущих квантовых вычислений.
Однако по мере продолжения экспериментов ученые также отметили, что некоторые псевдомайорановские состояния могут имитировать явления, поэтому дальнейшее тестирование и подтверждение имеют решающее значение. Например, исследования, проведенные в Китайской академии наук в 2018 году, выявили первые признаки частиц Майораны в чистой материи, но последующие исследования показали, что и другие электронные состояния могут демонстрировать схожие квантовые характеристики.
Применение Майораны в квантовых вычислениях
Связанные состояния Майораны имеют потенциальные применения, особенно в квантовой коррекции ошибок. Создавая так называемые «твист-дефекты», эти неспаренные майорановские моды способны хранить и обрабатывать квантовую информацию. Эта технология близка к цепочке операций в квантовых вычислениях и позволяет эффективно подавлять ошибки в процессе квантовых вычислений.
Самое поразительное то, что существование Майораны не только прорывает рамки традиционной физики, но и является будущей надеждой передовых вычислений. Дальнейшие исследования могут раскрыть его более глубокие физические механизмы и потенциал применения.
Открытие и применение нулевых мод Майораны переопределяют наше понимание физики элементарных частиц и физики конденсированного состояния. Благодаря будущим достижениям в области экспериментальных технологий и углублению теоретических исследований мы, возможно, сможем еще больше разгадать тайны квантового мира. Означает ли это, что существуют более глубокие физические законы, которые ждут нашего исследования?
