Шум поможет физикам «поймать» неуловимые квантовые состояния

Ученые предложили измерять спонтанные отклонения тока, или так называемый дробовой шум, для детектирования микроскопических потоков тепла и особых квантовых состояний — нулевых майорановских мод. Их обнаружение приведет к созданию новых квантовых компьютеров, которые способны не только осуществлять большое количество одновременных вычислений, но и устойчивы к любым искажениям и помехам окружающей среды. Работа была поддержана Российским научным фондом (РНФ) и опубликована в журналах Physical Review B и Semiconductor Science and Technology.

Этторе Майорана — итальянский физик, в честь которого названы загадочные майорановские моды, бесследно и необъяснимо пропал в 1938 году. Однако до исчезновения он успел опубликовать одно из возможных решений знаменитого уравнения Дирака — фундаментального уравнения квантовой механики, соединившего теорию относительности и волновую природу частиц со свойством собственного вращения (спином). Майорана описал частицу, одновременно являющуюся собственной античастицей — двойником с той же массой и спином, но с остальными характеристиками противоположного знака. Если одна и та же частица заряжена положительно и в то же время отрицательно, то ее общий электрический заряд должен быть равен нулю. Аналогично и с остальными свойствами, следовательно, нет вообще никаких способов их измерения. Зато таинственные гипотетические «майораны» обязаны иметь необычные и перспективные для науки качества. Это выходило за рамки представлений обычной физики, но дало начало новому направлению сложнейших фундаментальных исследований.

Ученые из Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна (Черноголовка) с коллегами из Сколковского института науки и технологий (Москва), Принстонского университета (США) и Института Вальтера Шоттки (Германия) развивают оригинальный способ обнаружения нулевых майорановских мод — сложно достижимых состояний, в которых «майораны» могут иметь очень низкую (нулевую) энергию.

«Майорановские моды, предсказанные известным физиком Алексеем Китаевым еще 20 лет назад, могли бы стать основой квантовых компьютеров нового типа. Весьма интенсивные их поиски хотя и привели к настоящему технологическому прорыву, но все же пока не увенчались успехом. Во многом это связано с тем, что так называемые "майораны" не обладают ни зарядом, ни спином, а их ключевое свойство — нелокальность — сложно продемонстрировать привычными экспериментальными методами», — рассказывает один из авторов исследования Вадим Храпай, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией электронной кинетики Института Физики Твердого Тела РАН.

Под нелокальностью понимается то свойство, что можно повлиять на объект, непосредственно с ним не взаимодействуя, как если бы нажатие на выключатель зажгло просто лежащую на столе лампочку — по сути, сигнал передается туда, где его ожидать нельзя.

Почти такой «невероятный» эксперимент провели авторы работы: они пропускали электричество по полупроводниковой проволоке толщиной менее 100 нанометров от одного контакта к другому, однако на пути тока находился сверхпроводник. Этот материал при низкой температуре не обладает сопротивлением, а потому носители зарядов должны утекать по нему, как по более «удобному» пути, не достигая конечной точки. Однако в ходе эксперимента физики обнаружили тепловой (вроде бы «невозможный», а потому нелокальный) сигнал и на втором контакте, то есть исходный поток разделился — электрический заряд отправился в сверхпроводник, а тепло дальше по проволоке.

Обнаружить тепловой сигнал исследователям удалось, наблюдая за очень слабыми случайными колебаниями электрического тока, известными как дробовой шум. Такое название отражает современные представления о том, что заряд электрона неделим, а значит протекание электрического тока похоже не на сплошную струю воды, а на поток дождя, в котором каждая капля (или дробинка) несет элементарный заряд. Удивительно, но шум такого «дождя» подскажет, какого размера каждая капля.

«Часто для обнаружения физического эффекта мы измеряем электрический ток, то есть среднюю величину заряда, протекающего в единицу времени. В случае, например, майорановских частиц, такой подход совершенно неэффективен, поскольку каждая частица рождает положительный или отрицательный заряд с равной вероятностью. Зато, регистируя шумы, можно измерить полное количество зарядов и величину переносимого ими тепла и уже таким образом "поймать" эту неуловимую майорану. Подобный скрытый эффект не только красив сам по себе, но и мог бы оказаться полезным при разработке особо устойчивых квантовых компьютеров», — объясняет Вадим Храпай.