Amerikanska arméfinansierade forskare vid University of California i Los Angles har hittat en ordspråklig rökpistolsignatur på den efterlängtade Majorana-partikeln, och fyndet, de säger, kan blockera inkräktare på känsliga kommunikationsnätverk.

Majorana -partiklarna, som förutspåddes för mer än 80 år sedan av den italienske teoretiska fysikern Ettore Majorana, kan bli kritiska byggstenar för kvantdatorer eftersom deras ovanliga egenskaper gör dem resistenta mot yttre störningar och förhindrar förlust av kvantinformation.

Upptäckten löser inte bara ett långvarigt problem inom fysiken, men öppnar också en potentiell väg för att kontrollera Majorana fermioner för att förverkliga robust topologisk kvantberäkning, sa Dr. Joe Qiu, chef för Solid State Electronics Program inom Engineering Sciences Directorate vid Army Research Office, en del av US Army Research Laboratory, ligger vid Research Triangle Park i Durham, Norra Carolina.

Kvantdatorer kan lösa problem mycket snabbare och effektivare än klassiska datorer, som potentiellt kan leda till en betydande förbättring av lägesmedvetenheten med förmågan att bearbeta stora mängder tillgänglig data, ett grundläggande prioriterat forskningsområde för den amerikanska armén.

"Tidigare experimentella tillvägagångssätt baserade på halvledar -nanotrådar på superledare har producerat otydliga signaler som också kan hänföras till andra effekter, "Sade Qiu." UCLA -experimentet med staplade lager av magnetisk topologisk isolator och supraledare har visat det tydligaste och mest entydiga beviset på partiklarna enligt teorin hittills. "

Forskningen som leder till upptäckten representerar ett nära tvärvetenskapligt samarbete mellan ett team av forskare inklusive elektriska ingenjörer, fysiker och materialvetare. UCLA -teamet finansieras av ett Army Multidisciplinary University Research Initiative, eller MURI, utmärkelsen gemensamt förvaltad av Electronics (Dr. Joe Qiu), Physics (Dr. Marc Ulrich) och Materials (Dr. John Prater) Divisioner på ARO. ARO finansierar forskning för att initiera vetenskapliga och långtgående tekniska upptäckter i utomjordiska organisationer, läroanstalter, ideella organisationer och privat industri som kan göra framtida amerikanska soldater starkare och säkrare.

Denna forskning leds av prof. Kang Wang, en framstående professor i elektroteknik vid UCLA, av fysik och materialvetenskap och teknik, som också innehar UCLA:s Raytheon -stol i elektroteknik.

Först publicerad i den prestigefyllda tidskriften Vetenskap förra juli, forskningen presenterades i ett inbjudet föredrag av professor Wang samt två andra relaterade inbjudna samtal av hans medarbetare under American Physical Society March Meeting.

"Eftersom Majorana-partikeln är sin egen antipartikel-som bär noll elektrisk laddning-ses den som den bästa kandidaten för att bära en kvantbit, eller qubit, den dataenhet som skulle ligga till grund för kvantdatorer. Till skillnad från "bitar" av data i vanliga datorer, som kan representeras antingen 0s eller 1s, qubits har förmågan att vara både 0:or och 1:or, en egenskap som skulle ge kvantdatorer exponentiellt mer datorkraft och hastighet än dagens bästa superdatorer, "Sa Qiu.

Majorana -partikeln har i stort varit i fokus för kvantberäkning till stor del eftersom dess neutrala laddning gör den resistent mot yttre störningar och ger den möjlighet att utnyttja och upprätthålla en kvantegenskap som kallas förträngning. Förträngning tillåter två fysiskt separata partiklar att samtidigt koda information, som kan generera enorm datorkraft.

"Tänk dig att bitar av data i vanliga datorer är som bilar som reser båda vägarna på tvåfiliga motorvägar, "sa Wang, som också är chef för King Abdulaziz City for Science and Technology Center of Excellence in Green Nanotechnology. "En kvantdator kan ha många körfält och många trafiknivåer, 'och bilarna kunde hoppa mellan nivåer och resa åt båda hållen samtidigt, i varje körfält och på alla plan. Vi behöver stabila, pansrade kvantbilar för att göra detta och Majorana -partiklarna är de superbilarna. "

För deras forskning, laget inrättade en superledare, ett material som gör att elektroner kan flöda fritt över sina ytor utan motstånd, och placerade ovanför den en tunn film av ett nytt kvantmaterial som kallas topologisk isolator, att ge ingenjörerna förmågan att manipulera partiklarna till ett specifikt mönster. Efter att ha svept ett mycket litet magnetfält över installationen, forskarna hittade Majorana -partiklarnas distinkta kvantiserade signal - fingeravtrycket av en specifik typ av kvantpartiklar - i den elektriska trafiken mellan de två materialen.

"Majorana -partiklarna dyker upp och beter sig som halvor av en elektron, även om de inte är elektronbitar, "sa Qing Lin He, en postdoktor vid UCLA och medförfattare till Vetenskap papper. "Vi observerade kvantbeteende, och signalen vi såg tydligt visade att dessa partiklar fanns. "

I experimentet, Majorana-partiklar färdades längs den topologiska isolatorns kanter i ett distinkt flätliknande mönster. Forskarna sa att nästa steg i sin forskning kommer att utforska hur man använder Majorana -partiklar i kvantfläta, som skulle sticka ihop dem så att information kan lagras och bearbetas med superhöga hastigheter.

Lei Pan, en UCLA-doktorand i elektroteknik och uppsatsens medförfattare, sade Majorana -partiklarnas unika egenskaper tycks göra dem särskilt användbara för topologiska kvantdatorer.

"Medan konventionella kvantsystem har sofistikerade system för att korrigera fel, information som kodas i en topologisk kvantdator kan inte lätt skadas, "sa han." Det som är spännande med att använda Majorana-partiklar för att bygga kvantdatorer är att systemet skulle vara feltolerant. "

Forskargruppen inkluderar också samarbetspartners från UC Irvine, UC Davis och Stanford University.