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. 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. 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.