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追捕神秘的馬約拉納量子位元

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撰文者:Sophia Chen (編譯:朱家誼 博士)
發文日期:2018-04-30
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  • 在物理界裡已經快要見怪不怪的事情又發生了:研究人員們又被一個好像存在、又好像不存在的現象吸引住了;這次是一個同時身兼物質與反物質角色的粒子—馬約拉納費米子(Majorana fermions)。有些凝態物理學家覺得他們已經找到這種難以理解的怪獸,但其他人還是有點懷疑。無論如何,微軟(Microsoft)已經開始懸賞馬約拉納費米子,期望有天可以用在量子計算上。

    雖然粒子物理學家也在研究馬約拉納費米子型的基本粒子(例如微中子可能就是這種類型的粒子),不過可以用在量子計算上的,卻是材料中電子集體行為造成有粒子性質的「準粒子」。自從2012年荷蘭的台夫特 (Delft)理工大學研究人員在與超導體相接的半導體奈米線上找到這種準粒子的首次實驗證據之後,就有很多其他的研究團隊陸續做出與理論預測吻合的實驗,不過這些現象目前還無法排除是其他奈米線的機制所造成的。

    由於這些實驗結果實在太漂亮,研究人員們相信很快就可以找到這些現象是準粒子造成的決定性證據。就像微軟資助的加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)研究生米希爾·彭豪爾卡(Mihir Pendharkar)在這次三月會議上評論的:「牠看起來是隻狗、走起路來也像隻狗。」但是他補了一句「牠依然有可能不是狗」。

    其實做量子計算的研究人員想拿來當量子位元的是一種稱作馬約拉納零模(Majorana zero modes,或者MZM)的馬約拉納費米子。 彭豪爾卡說:「如果將MZM用古典物理的語言來描述的話,應該可以比擬成半個電子。」理論預測這些半電子可以在連接超導體的一維半導體線末端找到,而目前有些實驗現象也支持這個論點。

    這種準粒子從理論預測的性質上來看,他們對過去的移動路徑會有記憶。譬如說,如果你把奈米線裡的兩個準粒子交換位置,彭豪爾卡告訴我們:「他們會知道他們之間是以順時針或是逆時針的路徑交換過去。」

    同樣來自UCSB的研究生克里斯汀娜·奈普(Christina Knapp)也在同一個會議裡提到,運用這種對路徑的記憶,我們可以把資訊放進一對準粒子裡。舉個非常簡化的編碼系統當例子,我們把兩個準粒子之間順時針的交換當作1、逆時針的當0;要讀出這個量子位元的資訊,原則上我們只要測量這兩個半電子的準粒子在一維的奈米線中碰撞之後的訊息,我們就可以知道這個位元本來是1、0還是這兩個的疊加態。

    相關的研究人員認為用這種準粒子做成的量子位元會比現在谷歌(Google)和國際商業機器股份有限公司(IBM)建構中的量子位元儲存訊息的能力更強大。Google和IBM目前用的量子位元常常會因為局部性的雜訊(例如環境中的電磁場)而出錯。也就是說,要把邏輯運算的出錯率降到可以使用範圍必須要一次運用上千個超導量子位元一起參與運算。而目前紀錄保持者Google也只能把72個超導量子位元合在一起而已,這種限制迫使研究人員去發展一些就算量子位元出錯也還可以使用的演算法。

    和Google這種把訊息存在一個局部物件裡較為不同的是,以馬約拉納費米子為主的量子位元把單一位元的訊息存在多個準粒子裡。根據理論的推導,這樣的儲存訊息方法比較不容易消失。這些準粒子對不管你怎麼在奈米線上移動他們,他們都會記得他們是以順時針還是逆時針的方向交換位置,而且這種訊息不容易因為局部雜訊被破壞掉。

    研究員常把這類的量子位元比做鞋帶,不同的打結方式就代表了不同的儲存訊息。 奈普解釋道:「就算鞋帶的任何一個部份被拉扯都不會改變打結的方式,可以說它完全不在意系統裡的小改變。」

     
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    馬約拉納準粒子的軌跡的拓樸不等價型式可以當作量子計算時量子位元的基底。(S. Das Sarma, M. Freedman, C. Nayak, Physics Today 2006年七月號)

    在這裡必需稍微澄清一下,所謂打結並不是真的把奈米線拿來打結;我們所說的打結是指把兩個粒子在時間軸上的軌跡當作辮子,當交換兩個粒子之後這些軌跡就會打結。這些結是一種拓樸保護態(topologically protected states),所以說用這種馬約拉納量子位元所組成的概念電腦又被稱作拓樸量子電腦。

    理論學家已經開始用這種假想的準粒子設計固態量子位元了,不過彭豪爾卡和他在UCSB的指導教授克里斯·帕姆史鐘(Chris Palmstrøm)都認為要做出真的拓樸量子位元應該還需要幾十年的時間。 帕姆史鐘說:「目前我們甚至還不知道這種拓樸量子位元是不是真的可以存在。」彭豪爾卡認為,一個研究團隊要證實他們創造出MZM一勞永逸的方法就是展示他們把準粒子對交換之後與理論預測的性質相符。

    儘管還有很長的路要走, 帕姆史鐘團隊已經著手在設計拓樸量子位元的晶片結構。這晶片是用銦基為主的材料分層組成,形成多個二維的電子膜;如此一來他們可以在這些電子膜上蝕刻出一條一維的導線接到超導體上,以此創造出馬約拉納邊界態(Majorana edge modes)。彭豪爾卡說,用蝕刻的方法比把一條條的奈米線平行放置還要能夠大量生產,大小也比較容易控制。

    雖然如此,彭豪爾卡和帕姆史鐘還是不敢對他們設計的元件有太多的承諾;畢竟他們目前什麼都沒有,沒辦法和Google、IBM或是Intel(中譯:英特爾)的量子電腦做比較。帕姆史鐘說:「不同的科技技術有不同的瓶頸,我們目前的瓶頸是我們根本不知道這個技術能不能用?!」

    不過帕姆史鐘又說,其他的量子計算結構也會遇到其他瓶頸,畢竟他們的技術要用到對人類科技實用的情形需要擴張到幾千、幾萬個量子位元組成的元件,這其實不是件簡單的事;和超導量子位元不同的是,因為拓樸量子位元不需要這種錯誤修正方法,所以一台量子電腦大概只需要幾千個量子位元就足夠。總結來說,拓樸量子位元應該才是從頭贏到腳的硬體設施。只是,我們必須先知道怎麼製造它。

    本文感謝APS NEWS (美國物理學會)授權物理雙月刊進行中文翻譯並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。譯者:朱家誼 博士 ,原文刊登於APS NEWs April/2018 https://www.aps.org/publications/apsnews/201804/hunt.cfm
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