Jaki jest stan topologiczny, czwarty stan materii, który rzekomo osiągnął Microsoft?

Firma Microsoft ogłosiła przełom w rozwoju komputerów kwantowych, wprowadzając na rynek układ Majorana 1 , oparty na nadprzewodnictwie topologicznym .

Urządzenie to wykorzystuje cząstki zwane fermionami Majorany w celu zwiększenia stabilności kubitów kwantowych, co znacznie zmniejsza błędy i zakłócenia zewnętrzne. Kluczem do tego postępu jest wykorzystanie egzotycznego stanu materii, znanego jako stan topologiczny.

Topologiczny stan materii wzbudził zainteresowanie naukowców i technologów ze względu na swoje wyjątkowe właściwości, które mogą zrewolucjonizować nie tylko komputery kwantowe, ale także elektronikę i fizykę materiałów. Ale czym właściwie jest ten stan i dlaczego jest tak ważny?

Koncepcja topologicznego stanu materii wywodzi się z topologii – dziedziny matematyki badającej właściwości obiektów, które pozostają niezmienne pomimo ciągłych odkształceń, takich jak rozciąganie lub skręcanie, dopóki nie ulegają pęknięciu lub połączeniu. W fizyce materiałów topologia opisuje, w jaki sposób pewne właściwości elektroniczne mogą być odporne na zaburzenia i zanieczyszczenia.

Materiał w stanie topologicznym ma kluczową cechę: podczas gdy jego wnętrze zachowuje się jak izolator, jego krawędzie i powierzchnie mogą przewodzić prąd elektryczny bez oporu. Ta szczególna cecha wynika z elektronicznej struktury materiału, która chroni stany brzegowe przed zakłóceniami zewnętrznymi, gwarantując stabilną i wysoce efektywną jazdę.

Badania topologicznych stanów materii nabrały tempa w 2016 r., kiedy fizycy David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad topologicznymi przejściami fazowymi. Ich odkrycia pomogły zrozumieć, w jaki sposób pewne fazy materii mogą pojawiać się w ekstremalnych warunkach, na przykład w temperaturach bliskich zera absolutnego.

Jednym z najbardziej znaczących zjawisk w tej dziedzinie jest kwantowy efekt Halla, w którym folia metalowa wystawiona na działanie pola magnetycznego w ekstremalnie niskich temperaturach wykazuje skwantowane przewodnictwo elektryczne na swoich krawędziach, podczas gdy jej wnętrze nadal ma właściwości izolacyjne. Zjawisko to miało fundamentalne znaczenie dla rozwoju zaawansowanych urządzeń elektronicznych.

Komputery kwantowe mają potencjał rozwiązywania problemów, które byłyby nie do rozwiązania przy użyciu komputerów konwencjonalnych. Jednak jednym z głównych wyzwań jest stabilność kubitów, ponieważ są one niezwykle wrażliwe na zakłócenia zewnętrzne, które mogą powodować błędy w obliczeniach.

W tym miejscu kluczową rolę odgrywają stany topologiczne. Nadprzewodnictwo topologiczne, takie jak to wykorzystane w układzie Majorana 1 firmy Microsoft, łączy zdolność niektórych materiałów do przewodzenia prądu bez oporu z wytrzymałością stanów topologicznych. W rezultacie kubity wygenerowane w tym stanie są z natury bardziej stabilne i mniej podatne na utratę spójności kwantowej.

Firmie Microsoft udało się wytworzyć topologiczne nadprzewodzące nanodruty, które mogą działać w temperaturach bliskich zera absolutnego, co stanowi ważny krok w kierunku stworzenia praktycznych i skalowalnych komputerów kwantowych.

Odkrycie i zastosowanie topologicznego stanu materii otwiera nowe możliwości w wielu dziedzinach, od elektroniki po komputery kwantowe. Dzięki firmom takim jak Microsoft stawiającym na tę technologię przyszłość komputerów kwantowych wygląda jaśniej niż kiedykolwiek. W miarę postępu badań w nadchodzących latach mamy szansę zobaczyć zaskakujące nowe zastosowania tego stanu materii.