Topologische Qubits - 1 -

Spähte in sein Kabinett von Kuriositäten auf einer kürzlich Frühlingstag, Bob Willett, ein Wissenschaftler bei den Bell Labs in Murray Hill, NJ, flink pflückte einen winzigen schwarzen Kristall aus den Regalen und schob sie unter dem Mikroskop. "Dies ist ein guter", versprach er.
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Ein Muster von Schaltungsleitungen abgestrahlt außen auf der Kristalloberfläche wie die Strahlen eines Quadrats Sonne. Das Produkt von Jahrzehnten von Versuch und Irrtum durch Willett und seine Mitarbeiter, wurde sie von einer Flocke aus Galliumarsenid so rein gemacht, sagte er, dass Elektronen könnte in einander die Präsenz in großen Mikrometer Abstand zu spüren. Wenn der Kristall magnetisiert und zu einem Bruchteil eines Grades abgekühlt, die Elektronen vereinigen sich und bilden eine eigentümliche Quantenzustand, der das Zeug zu einer unvorstellbar leistungsfähigen Computer sein könnte.
Willet versucht, diesen Zustand zu nutzen, um eine "topologische Qubit" zu bauen - eine Informationsspeichervorrichtung analog zu den Bits, aus denen gewöhnliche Computer, nur viel komplexer und potent. Qubits sind die grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers, einer unbebauten Technologie in den frühen 1980er Jahren entwickelt. Im Gegensatz zu der gewöhnlichen Bits, wächst die Kraft des Qubits exponentiell mit deren Anzahl. Für viele Aufgaben, eine vergleichsweise geringe Quantencomputer - up von nur 100 Qubits gemacht - am besten Supercomputer der Welt zu übertreffen und Platzanweiser in eine neue Ebene der Rechenleistung für die Menschheit.
Wissenschaftler haben bereits gebaut Qubits, aber wenn Willetts topologische Version - die Informationen in den geflochtenen Wege der Partikel lagern würde - das Potential, wesentlich stabiler als die bestehenden Prototypen werden realisiert, es hat. Experten sagen, es könnte der vielversprechendsten Fundament, auf dem eine umfassende Quantencomputer zu bauen geworden.
Der Schlüssel zum Aufbau eines Quantencomputers ist die Erhöhung der Anzahl von Qubits, die miteinander verbunden werden können. Trotz der Investition von umfangreichen Ressourcen in den letzten 20 Jahren hat sich die extreme Zerbrechlichkeit der bestehenden Qubits so weit eingeschränkt Bemühungen, sie zu vernetzen und hat sogar angeheizt Unsicherheit darüber, ob die Technologie jemals zustande. Topologische Qubits würde jedoch eine grundlegende Vorteil bieten: Obwohl sie sich auf eine seltene und äußerst wählerische Quantenzustand verlassen (ein so schwierig, dass derzeit zaubern, nur Willett konsequent tun es), einmal gebildet, sie theoretisch wäre wie robust verhalten Knoten - resistent gegen die Störungen, die die feinen Eigenschaften von jeder anderen Art von Qubit-Wrack.

Mikroskopische Aufnahme der Schaltung eines topologischen Qubit. Damit es funktioniert, muss Teilchen, den nicht-abelschen Anyonen auf jeder der Mikrometer-weiten Zentralkammern platziert werden. (Mit freundlicher Genehmigung von Bob Willett)
"Aus der Sicht eines Theoretikers ist topologischen Quantencomputer der eleganteste Weg zur Erreichung robuster Quantencomputer", sagte John Preskill, Professor für theoretische Physik und Direktor des Instituts für Quanteninformation und Materie am California Institute of Technology. "Aber die Leute, die daran interessiert sind, topologische Sachen waren bekam Art von frustriert und beschlossen, es wäre furchtbar schwer sein -. Ausnahme Willett"
Ein großer, freundlicher Mann von 57, Willett arbeitet sieben Tage die Woche, auch an Feiertagen, in der düsteren Labyrinth von Bell Labs, verfolgt sein Ziel mit einer ungemein zielstrebige Hingabe. In den letzten Jahren hat er eine wachsende Zahl von Beweisen gesammelt, dass hochreine, ultrakalte, geben Anlass zu der seltsamen Teilchen, die so genannte "nicht-abelschen Anyonen", die für eine topologische erforderlich sind ultra-magnetisiert

Galliumarsenidkristallen Qubit. Die Qualität der Willetts Daten und Unterstützung von Theorie und numerische Berechnungen, führt bei vielen externen Experten zu glauben, die Auswirkungen er sieht echt sind. Und doch ist Willett Experiment so schwierig, dass keine anderen Labors haben es geschafft, sie zu replizieren, die Möglichkeit offengelassen, dass seine auffallende Beobachtungen von nicht-abelschen Anyonen sind bloße Artefakte seiner besonderen Einrichtung oder Technik. Dennoch Willett hat sich entschieden, drücken Sie auf, und vor kurzem Bau auf, was könnte der weltweit erste topologischen Qubits werden gestartet.
"Ich denke, es gibt eine hohe Chance auf Erfolg", sagte Chetan Nayak, der ist ein theoretischer Physiker bei Microsoft Research Station Q und der University of California, Santa Barbara und arbeitet mit Willett. "Wir haben so viele Dinge, wie wir denken konnte, und sehe nichts, dass ein Deal-Breaker ist gedacht."
Zurück in seinem Labor, wies Willett auf eine Nahaufnahme Foto einer elektronischen Schaltung auf der Wand über seinem Computer merken. "Das ist ein Qubit", sagte er mit einem Lächeln. Die Schaltung schlängelte sich um die Oberfläche des Galliumarsenid-Kristall, umlauf zwei Kammern, die, wenn alles gut geht, wird schließlich Gastgeber für ein Paar von nicht-abelschen Anyonen. "Es ist ein booger bekam hier, hier und hier", sagte er und tippte Mängel der Muster. "Aber wir haben alle Schritte, um dies jetzt zu machen."

Das Konzept eines Quantencomputers basiert auf der seltsame und einzigartige Fähigkeit der Einwohner der Quantenwelt - von Elektronen und Photonen, um nicht-abelschen Anyonen - zu viele Dinge auf einmal zu sein. Eine Elektronen, beispielsweise können beide gleichzeitig und entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen. Ein Photon in zwei Achsen polarisiert werden. Die Transistoren, die dienen als gewöhnliche Bit kann nur in einem von zwei Zuständen (bezeichnet 0 oder 1), aber Qubits aus Spinn Elektronen oder polarisierten Photonen sind Mischungen oder "Überlagerungen" von 0 und 1 gleichzeitig in beiden Staaten bestehenden. Und während die Kapazität einer normalen Computer wächst linear mit der Anzahl von Bits, wenn die Anzahl der Qubits zunimmt, werden die Überlagerungen verstrickt Jede Möglichkeit kombiniert mit jedem anderen, einen exponentiell ansteigenden Raum der Möglichkeiten für den Zustand des Quantencomputer als erstellen ein ganzes. Physiker haben Quantenalgorithmen, die auf diesem facettenreichen Netzwerk von Qubits in Rekordgeschwindigkeit für Prozesse inkl Datenbank-Suche, Code-breaking und High-Level-Physiksimulationen arbeiten würde entdeckt.
Das Problem mit verschränkten Überlagerungen von Spinn Elektronen polarisierten Photonen oder die meisten anderen Teilchen, die als Qubits dienen könnte, ist, dass sie enorm instabil sind. Ein Lichtpinsel mit der Umwelt zusammenbricht ein Qubit Lagerung, abrupt beendet einen Quantencomputer zwingt in einen bestimmten Zustand von 0 oder 1 Dieser Effekt, genannt "Dekohärenz". Um Dekohärenz, einen Quantencomputer verschränkter Elektronen gemacht zu kämpfen, zum Beispiel, erfordert jede Informationseinheit, um unter einem ausgeklügelten Netz von vielen Qubits geschickt angeordnet sind, um ein Umweltstörung eine aus, die zum Zusammenbruch von allen geteilt werden zu verhindern. "Das gibt Ihnen einen großen Overhead-Kosten", sagte Preskill. "Wenn du hundert logische Qubits wollen" - diejenigen, die in einer Berechnung einbezogen - "Sie Zehntausende von physikalischen Qubits müssten in den Computer."
Bisher haben die Wissenschaftler nur gelungen, kleine Felder von physikalischen Qubits, die verschränkten für weniger als eine Millisekunde zu bleiben und sind nicht dazu in der Lage interessante Berechnungen bauen. "Ich bin mir nicht sicher, ob die Leute eine logische Qubits noch behaupten", sagte John Martinis, Professor an der University of California, Santa Barbara, deren Gruppe berichtete im April die Schaffung eines Fünf-Qubit-Array aus einem Supraleiter. Martinis, sagte einige Fortschritte bei der Bekämpfung der Auswirkungen von Dekohärenz gemacht worden ", aber nicht unbedingt in einer Weise, wo Sie wissen möchten, wie man eine logische Qubits zu bauen."

Ein topologischer Quantencomputer wird theoretisch durch Flechten die Wege der nicht-abelschen Anyonen, ändern ihre Zustände durchgeführt. Der Ausgang des Rechen hängt eindeutig, wie die Teilchen wurden geflochten. Kleine Störungen nicht zu entwirren die Zöpfe, so dass die Berechnung resistent gegen Fehler und Dekohärenz. (Quanta Magazine)
Mit der gewaltigen Dekohärenz Problem im Hinterkopf, der russische Physiker Alexei Kitaev (jetzt des California Institute of Technology) im Jahre 1997 konzipiert eines anderen Ansatz zur Quanten-Computing, die das Problem überhaupt umgeht. Kitaev erkannte, dass außergewöhnlich stabil Qubits theoretisch von Paaren von hypothetischen Teilchen, den nicht-abelschen Anyonen gebildet werden. Das ist, weil der Zustand eines Paars nichtabelsche Anyonen nicht durch zerbrechliche ähnliche Drehung oder Polarisation bestimmt, sondern durch seine Topologie: wie die Wege der beiden Anyonen haben umeinander geflochten. Wenn sich ihre Wege sind aus als Schnürsenkel schlängelt sich durch Raum und Zeit dachte, dann, wenn die Partikel rotieren umeinander, binden die Schnürsenkel in Knoten. "Nicht abelsch" ist die Reihenfolge der Drehungen Fragen: Swapping Anyonen A und B und dann B und C, zum Beispiel, produziert verschiedene Zöpfe als Swapping B und C dann A und B. Diese Unterscheidung ermöglicht die Partikel als Qubits dienen, weil ihre Zustände werden in einzigartiger wie sie umeinander geflochten abhängen, das die Schritte eines Quantenalgorithmus kodiert. Und, was entscheidend, ebenso wie zu berühren verknoteten Schnürsenkel nicht lösen sie, zufällige Umwelt Störungen nicht zu entwirren die Zöpfe der topologischen Qubits. Wenn nicht-abelschen Anyonen existieren und geflochten werden, können sie theoretisch bilden die Bausteine eines robusten, skalierbaren Quantencomputer.
"Die Kohärenzzeiten konnte wirklich sehr lang sein - Wochen im Gegensatz zu Mikrosekunden", sagt Nayak.
Kitaev der topologischen Quantencomputing System verursacht große Aufregung, weil ein Teilchen, das stark vermutet wurde, um ein nicht-abelschen anyon gab es schon: Es war eine schwer fassbare Entität, die ein Jahrzehnt zuvor durch ein Doktorand an der Massachusetts Institute of Technology, der seine erste entdeckt worden war Set von Experimenten - Bob Willett. "Es braucht eine Menge Glück, so etwas zu der rechten Seite, wenn Sie anfangen, sind", sagte Willett.
Willett Mentor, Horst Störmer, ein kondensierter Materie Physiker bei den Bell Labs, die häufig besuchte MIT, hatte im Jahr 1982 Co-entdeckt, eine neue Klasse von Materiezustände, wie Flüssigkeiten oder Feststoffen, nur viel Fremde. (Zu diesem Zweck er 1998 den Nobelpreis für Physik mit Daniel Tsui und Robert Laughlin teilen.) Störmer und seine Mitarbeiter fanden heraus, dass, wenn die Temperatur und der Magnetisierung eines zweidimensionalen Platte von Kristall waren genau richtig und die Kristall war so rein, dass die Elektronen im Inneren überall konnte man einem anderen Sinne, die Elektronen ihre individuellen Identitäten zu vergießen und ein zusammenhängendes Schwarm. Und in diesem Schwarm, würden neue partikelartige Einheiten entstehen. Anstelle von Elektronen, sie waren Schüsse Magnetfeld, die jeweils mit einer elektrischen Ladung, die gleich einem Bruchteil der Elektronen - einer dritten, zum Beispiel. Theoretiker dachte, sie zu verstehen, warum diese Bruch Gebühren erschienen. Aber im Jahr 1986, stolperte Willett über ein Beispiel, die so genannte 2.5 ("Fünf-Hälften") Zustand, die nicht in das theoretische Verständnis von denen Fraktionen durften passten.
Theoretiker in den 1990er Jahren, dass die Partikel in der 5/2 Zustand waren Anyonen, und wahrscheinlich nicht-abelschen Anyonen, weckt Hoffnungen, sie könnten für topologische Quantencomputer verwendet werden realisiert. Im Jahr 2005 Nayak, Microsoft Research Station Q Regisseur Michael Freedman und Sankar Das Sarma von der Universität Maryland entwickelt eine topologische Qubit basierend auf dem 2.5-Zustand. Gefolgt wichtige Vereinfachungen bald. Viele Experimentatoren - einschließlich Willett, der Fortsetzung des Studiums hatte fraktionierten Quantenzuständen bei den Bell Labs in den dazwischen liegenden Jahren - an die Arbeit.
Die erste Aufgabe war es, die Anyonen im 2.5 Zustand in einen "Interferenzexperiment" zu unterziehen, um festzustellen, ob sie wirklich nicht-abelschen waren. Willett und seine Kollegen abgeschieden eine Schaltung auf die Oberfläche eines Galliumarsenid-Kristall, abgekühlt und magnetisiert ist, um die 5/2 Zustand zu induzieren, und dann gemessen, die Spitzen und Täler in der Strom durch die Schaltung fließt. Wenn Anyonen queren die Schaltung, in Superpositionen aufgeteilt sie bei jeder Weggabelung und später treffen wieder auf. Wenn die beiden Superpositionen identisch sind, werden sie wie überlappende Wellen kombiniert, wodurch Spitzen und Täler in der stören. Wenn sie unterschiedlich sind, gehen sie wie Schiffe in der Nacht, und der Strom bleibt konstant. Die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Interferenzmusters hängt daher von ihren Zuständen, die nichtabelsche Anyonen durch, wie sie schon andere nichtabelsche Anyonen geflochten gesteuert. Was dazu führen würde, die Überlagerungen, um um sie in unterschiedliche Richtungen zu flechten und erreichen unterschiedliche Zustände - - Wenn Willett könnte das Interferenzmuster durch Abfangen einer ungeraden Anzahl von Anyonen in der Kammer innerhalb der Schaltung zu töten, dann werden die Anyonen müssen nicht-abelschen können.

Willet erhebt und speichert Daten über die Qualität der neuen Proben fast jeden Tag, der dazu beiträgt, ihn ran an den optimalen Entwurf für eine topologische Qubit. (Johannes Kittel für Quanta Magazine
Die Wirkung ist subtiler und zunächst kaum stand gegen ein anderes Interferenzsignal von regelmäßigen "Abelschen" Anyonen, die auch in der 5/2 stammend. Aber im Laufe der Jahre, wie Willett verbesserte seine Schaltungsdesign, um mehr von den angeblichen nichtabelsche Anyonen aufzuhetzen zu bilden und seine Mitarbeiter erhöht die Reinheit der Galliumarsenidkristallen wuchs die steuerbaren Störsignal klarer. Seiner Gruppe jüngsten Ergebnisse erschien im Oktober 2013 in Physical Review Letters.
"Wenn man sich den Versuchen insgesamt aus, sie deuten stark darauf hin, dass die 5/2 Staat unterstützt nicht-abelschen Anregungen", sagte Mike Manfra, Professor für Physik und eine Galliumarsenid Experimentator an der Purdue University, die Willett Proben zur Verfügung gestellt hat. "Es ist auch wahr, dass diese Ergebnisse müssen in einem unabhängigen Labor, um schlüssig zu sein, wiedergegeben werden."
Andere Forscher, darunter Charles Marcus, nun am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, Dänemark, haben versucht und sind gescheitert zu Willett die Daten zu replizieren. "Wir sehen nicht, The Wiggles, die er sieht", sagte Marcus. "Wir wissen noch nicht, ob die Daten, die Bob berichtet, ist das, was schließlich alle los, um zu sehen, oder ob wir werden sagen:" Nein, das war ein Ablenkungsmanöver. '"
Aber Willett und seine Kollegen vermuten, dass Marcus 'Techniken sind im Unrecht. Die weltbesten Erzeuger von Galliumarsenid, Loren Pfeiffer, ein langjähriger Bell Labs Physiker, der im Jahr 2009 auf der Princeton University entfernt und weiterhin mit Willett zusammenzuarbeiten, sagt, er würde nicht erwarten, dass Marcus 'Gruppe, um nicht-abelschen Anyonen zu erkennen. Beide Gruppen nutzen Galliumarsenidkristallen Pfeiffers aber gelten andere Schaltung-Herstellungstechniken. Pfeiffer, der die geordneten Reihen von Atomen in seinen Kristallen als "einem wunderschön gepflegten Garten", meint Marcus 'Ätzverfahren zu rau ist.
Wird die Taste gedrückt, sagte Marcus er vermutet, dass die Ergebnisse der Willett und seinen Mitarbeitern wird letztlich bestätigt werden. "Muss ich denke, es gibt nicht-abelschen Anyonen in der Fünf-Hälften Staat? Ja ich tun ", sagte er. Wie dem auch sei, fügte er hinzu, die Angelegenheit ein für alle Mal geklärt werden ", wenn das Qubit funktioniert."
Der Aufbau eines topologischen Qubit ist nur etwas komplizierter als das Interferenzexperiment, das Willett und seine Kollegen bereits getan haben. "Im Grunde nur das Doppelte des Interferometers, um zwei Kammern statt einem zu machen", erklärte er. Der zusätzliche Schritt ist ein "Luftbrücke" zum Verbinden der Kammern, die ermöglicht, ein Paar von Anyonen zwischen ihnen aufgeteilt werden. Diese Anyonen existieren in einer Überlagerung, und deren Zustände durch einen Strom von Anyonen Flechten um sie durch den Kreislauf verändert werden. "Das ist es", sagt Willett. "Das bildet das Element eines topologischen Qubit."
Willett hat in der gleichen Serie von Labors entlang Bell Labs 'scheinbar endlosen Hauptkorridor für 25 Jahre gearbeitet. Vor sechs Jahren, der Muttergesellschaft des Labors, Alcatel-Lucent, begonnen, seine Grundlagenforschungsprogramm zu verkleinern. Pfeiffer zog nach Princeton, nahm seine perfekt kalibriert "Molekularstrahlepitaxie" Maschine mit ihm. Die meisten anderen überlassen auch, aber Willett geblieben. Er liebt es, die AT & T Glanzzeiten, erinnern, als heute berühmten Namen in der Physik kondensierter Materie füllten die langen Tischen in der geräumigen Cafeteria. Das Epizentrum zahlreicher weltbewegend Durchbrüche in der Grundlagenphysik im vergangenen Jahrhundert, ist Bell Labs auch der Geburtsort des Transistors, der Laser, ladungsgekoppelte Vorrichtungen, das UNIX-Betriebssystem, die C und C ++ Programmiersprachen und Informationstheorie selbst. Sieben Nobelpreise für die Forschung im Gebäude ausgezeichnet. Heute hat Willett seinen Labors fast zu sich selbst, der glückliche König von einer weitgehend unbewohnten Gebiet. Tag für Tag, wie er latscht hin und her zwischen seinem Kabinett von Kristallen, die 25 Jahre alte Maschinen, die er verwendet, um die Schaltung auf Pfeiffers Galliumarsenid-Wafer und den dampfenden Bottichen von flüssigem Helium, das diese Wafer abkühlen zu hinterlegen, er näher bewegt zum Hinzufügen einer brillanten neuen Eintrag in den Bell Labs 'enzyklopädische Geschichte der Durchbrüche.
"Wir werden in der Lage, ein Qubit realisieren zu können", sagte er. "Die zugrunde liegende Physik ist da. Jetzt wird es einige technische Arbeit sein, aber ich denke, dass ein Teil wird auch fallen an ihren Platz. "
Natürlich können unvorhergesehene Hürden entstehen. Oder, auf lange Sicht, andere Ansätze zur Quantencomputer könnte sich so gut abwehren Dekohärenz, die die topologische Ansatz verliert seine Vorteile. Dennoch, wenn Willett Experiment erfolgreich ist, Alcatel-Lucent, sowie andere Labors und Förderorganisationen, wird wahrscheinlich auf, ihre Studie über die 2.5 Zustand und möglicherweise erhöhen die Produktion von topologischen Qubits. "Hundert sofort erwarte ich, dass die Menschen auf sie springen und beginnen, daran zu arbeiten", sagte Das Sarma.
Willett, für meinen Teil, würde ein neues Ziel der Ausweitung seiner Schaltungsdesign, um eine Multi-Qubit-Array zu machen gesetzt. Er hofft, schließlich bauen ein Arbeits topologischen Quantencomputer. Auf die Frage, ob seine Motivation kommt von allen Verwendungsmöglichkeiten einer solchen Technologie, konnte er nicht sagen. Aber es hat nicht wirklich scheinen, dass zu sein. Willett schien seinen Weg durch die Dynamik der alle, die vor gekommen war, und nicht, was vor ihnen lag angesteuert werden. "Es gibt etwa 40 Jahren der Anstrengung hinter der Herstellung dieser Wafer", bemerkte er. "Alles hier in diesem Gebäude."
Original-Geschichte mit Genehmigung von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Abteilung von SimonsFoundation.org deren Aufgabe ist die öffentliche Verständnis von Wissenschaft durch Abdecken Forschungs Entwicklungen und Trends in der Mathematik und der physikalischen und Lebenswissenschaften zu verbessern nachgedruckt.

http://www.wired.com/2014/05/quantum-computing-topological-qubit/