Forskare vid University of Illinois i Chicago, i samarbete med sina kollegor vid universitetet i Hamburg i Tyskland, har avbildat en exotisk kvantpartikel - kallad Majorana fermion - som kan användas som byggsten för framtida qubits och så småningom förverkligandet av kvantdatorer. Deras resultat rapporteras i tidningen Vetenskapliga framsteg .

För mer än 50 år sedan, Gordon Moore, tidigare vd för Intel, observerade att antalet transistorer på ett datorchip fördubblas var 18:e till 24:e månad. Denna trend, nu känd som Moores lag, har fortsatt till idag, vilket leder till transistorer som bara är några nanometer-en miljarddels meter-stora. I denna skala, de klassiska fysiklagarna, som ligger till grund för våra nuvarande datorer, sluta fungera, och de ersätts av kvantmekanikens lagar. Gör transistorer ännu mindre, som tidigare har använts för att öka datorhastigheten och datalagringen, är, därför, inte längre möjligt.

Om inte forskare kan räkna ut hur man använder kvantmekanik som den nya grunden för nästa generation av datorer.

Detta var grundidén som formulerades 1982 av Richard Feynman, en av 1900 -talets mest inflytelserika teoretiska fysiker. Istället för att använda klassiska datorbitar som lagrar information som är kodad i nollor och enor, man skulle utforma "kvantbitar" - eller kort sagt qubits - som skulle använda kvantmekanikens lagar för att lagra valfritt tal mellan 0 och 1, därigenom exponentiellt öka beräkningshastigheten och leda till att kvantdatorer föddes.

"Vanligtvis, när du tappar din mobiltelefon, det raderar inte informationen på din telefon, "sa Dirk Morr, professor i fysik vid UIC och motsvarande författare på tidningen. "Det beror på att chipsen som information lagras i bitar av enor och nollor är ganska stabila. Det krävs mycket krångel för att göra en till noll och vice versa. I kvantdatorer, dock, eftersom det finns ett oändligt antal möjliga tillstånd för qubit att vara i, information kan gå vilse mycket lättare. "

För att bilda mer robusta och pålitliga qubits, forskare har vänt sig till Majorana fermioner - kvantpartiklar som bara förekommer i par.

"Vi behöver bara en Majorana fermion per qubit, och så måste vi skilja dem från varandra, "Sa Morr.

Genom att bygga qubits från ett par Majorana fermioner, information kan kodas på ett tillförlitligt sätt, så länge Majoranorna är tillräckligt långt ifrån varandra.

För att uppnå denna separation, och för att "avbilda" en enda Majorana fermion, det är nödvändigt att skapa en "topologisk superledare" - ett system som kan leda strömmar utan energiförluster, och på samma gång, är knuten till en "topologisk knut".

"Denna topologiska knut liknar hålet i en munk:du kan deformera munken till en kaffekopp utan att tappa hålet, men om du vill förstöra hålet, du måste göra något ganska dramatiskt, som att äta munken, "Sa Morr.

För att bygga topologiska superledare, Morrs kollegor vid universitetet i Hamburg placerade en ö med magnetiska järnatomer, endast tiotals nanometer i diameter, på ytan av rhenium, en superledare. Morrs grupp hade förutspått att genom att använda ett skanningstunnelmikroskop, man borde kunna avbilda en Majorana fermion som en ljus linje längs kanten av ön av järnatomer. Och detta är exakt vad experimentgruppen observerade.

"Att faktiskt kunna visualisera dessa exotiska kvantpartiklar tar oss ytterligare ett steg närmare att bygga robusta qubits, och slutligen kvantdatorer, "Morr sa." Nästa steg blir att ta reda på hur vi kan kvantkonstruera dessa Majorana qubits på kvantchips och manipulera dem för att få en exponentiell ökning av vår datorkraft. Detta gör att vi kan ta itu med många problem vi står inför idag, från att bekämpa den globala uppvärmningen och att förutsäga jordbävningar till att lindra trafikstockningar genom förarlösa bilar och skapa ett mer pålitligt energinät. "