Σφυρηλατώντας ένα Qubit για να τους κυβερνάς όλους
Κοιτάζοντας το ντουλάπι του με τις περιέργειές του μια πρόσφατη ανοιξιάτικη μέρα, ο Μπομπ Γουίλετ, ένας επιστήμονας στα εργαστήρια Bell στο Murray Hill, N.J., έβγαλε εύστροφα έναν μικροσκοπικό μαύρο κρύσταλλο από τα ράφια και τον γλίστρησε κάτω από ένα μικροσκόπιο. "Αυτό είναι καλό", υποσχέθηκε.
Ένα σχέδιο απαγωγών κυκλώματος ακτινοβολείται προς τα έξω στην επιφάνεια του κρυστάλλου σαν τις ακτίνες ενός τετράγωνου ήλιου. Το προϊόν δεκαετιών δοκιμών και σφαλμάτων από τον Willett και τους συνεργάτες του, κατασκευάστηκε από μια νιφάδα αρσενιδίου του γαλλίου τόσο καθαρό, είπε, που τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό μπορούσαν να αντιληφθούν την παρουσία του άλλου σε τεράστια μικρόμετρα απόστασης. Όταν ο κρύσταλλος μαγνητίζεται και ψύχεται σε ένα κλάσμα του βαθμού, τα ηλεκτρόνια ενώνονται, σχηματίζοντας μια περίεργη κβαντική κατάσταση που θα μπορούσε να είναι η κατασκευή ενός αφάνταστα ισχυρού υπολογιστή.
Ο Willet προσπαθεί να εκμεταλλευτεί αυτή την κατάσταση για να δημιουργήσει ένα "τοπολογικό qubit" - μια συσκευή αποθήκευσης πληροφοριών ανάλογη με τα bit που συνθέτουν τους συνηθισμένους υπολογιστές, πολύ πιο πολύπλοκο και ισχυρό. Τα Qubits είναι τα βασικά δομικά στοιχεία ενός κβαντικού υπολογιστή, μιας μη ανεπτυγμένης τεχνολογίας που επινοήθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Σε αντίθεση με αυτή των συνηθισμένων bit, η ισχύς των qubit αυξάνεται εκθετικά με τον αριθμό τους. Για πολλές εργασίες, ένας σχετικά μικρός κβαντικός υπολογιστής — που αποτελείται από μόνο 100 qubits — θα ξεπερνούσε τους καλύτερους υπερυπολογιστές του κόσμου και θα εισαγάγει ένα νέο επίπεδο υπολογιστικής ισχύος για την ανθρωπότητα.
Οι επιστήμονες έχουν ήδη κατασκευάσει qubits, αλλά εάν η τοπολογική έκδοση του Willett - η οποία θα αποθηκεύει πληροφορίες στα πλεγμένα μονοπάτια των σωματιδίων - υλοποιηθεί, έχει τη δυνατότητα να είναι πολύ πιο σταθερή από τα υπάρχοντα πρωτότυπα. Οι ειδικοί λένε ότι θα μπορούσε να γίνει το πιο πολλά υποσχόμενο θεμέλιο για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή πλήρους κλίμακας.
Το κλειδί για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή είναι η αύξηση του αριθμού των qubits που μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους. Παρά την επένδυση τεράστιων πόρων τα τελευταία 20 χρόνια, η ακραία ευθραυστότητα των υπαρχόντων qubit έχει περιορίσει μέχρι στιγμής τις προσπάθειες δικτύωσής τους και έχει τροφοδοτήσει ακόμη και την αβεβαιότητα σχετικά με το εάν η τεχνολογία θα υλοποιηθεί ποτέ. Τα τοπολογικά qubits, ωστόσο, θα πρόσφεραν ένα θεμελιώδες πλεονέκτημα:Αν και θα βασίζονταν σε μια σπάνια και εξαιρετικά λεπτή κβαντική κατάσταση (μία τόσο δύσκολη που επί του παρόντος, μόνο ο Willett μπορεί να το κάνει σταθερά), μόλις σχηματιστούν, θεωρητικά θα συμπεριφέρονταν σαν στιβαρά κόμβοι — ανθεκτικοί στις διαταραχές που καταστρέφουν τις ευαίσθητες ιδιότητες κάθε άλλου είδους qubit.
«Από την οπτική γωνία ενός θεωρητικού, ο τοπολογικός κβαντικός υπολογισμός είναι ο πιο κομψός τρόπος για να επιτευχθεί ισχυρός κβαντικός υπολογισμός», δήλωσε ο John Preskill, καθηγητής θεωρητικής φυσικής και διευθυντής του Ινστιτούτου Κβαντικής Πληροφορίας και Ύλης στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. "Αλλά οι άνθρωποι που ενδιαφέρθηκαν να κάνουν τοπολογικά πράγματα απογοητεύτηκαν κάπως και αποφάσισαν ότι θα ήταν τρομερά δύσκολο — εκτός από τον Willett."
Ένας ψηλός, ευγενικός άντρας 57 ετών, ο Willett εργάζεται επτά ημέρες την εβδομάδα, ακόμη και τις διακοπές, στον ζοφερό λαβύρινθο των Bell Labs, επιδιώκοντας τον στόχο του με μια ασυνήθιστη μοναχική αφοσίωση. Τα τελευταία χρόνια, έχει συγκεντρώσει ένα αυξανόμενο σύνολο αποδεικτικών στοιχείων ότι οι εξαιρετικά καθαροί, εξαιρετικά ψυχροί, υπερμαγνητισμένοι κρύσταλλοι αρσενιδίου του γαλλίου δημιουργούν τα περίεργα σωματίδια, τα οποία ονομάζονται «μη αβελιανά ανώνια», που απαιτούνται για μια τοπολογική qubit. Η ποιότητα των δεδομένων του Willett και η υποστήριξη από τη θεωρία και τους αριθμητικούς υπολογισμούς, κάνουν πολλούς εξωτερικούς ειδικούς να πιστεύουν ότι τα αποτελέσματα που βλέπει είναι πραγματικά. Και όμως, το πείραμα του Willett είναι τόσο δύσκολο που κανένα άλλο εργαστήριο δεν έχει καταφέρει να το αναπαραγάγει, αφήνοντας ανοιχτό το ενδεχόμενο οι εντυπωσιακές παρατηρήσεις του για μη αβελιανούς οποιονδήποτε να είναι απλώς τεχνουργήματα της συγκεκριμένης διάταξης ή τεχνικής του. Ωστόσο, ο Willett αποφάσισε να συνεχίσει και πρόσφατα ξεκίνησε την κατασκευή αυτού που θα μπορούσε να είναι το πρώτο τοπολογικό qubit στον κόσμο.
«Νομίζω ότι υπάρχουν μεγάλες πιθανότητες επιτυχίας», είπε ο Chetan Nayak, ο οποίος είναι θεωρητικός φυσικός στο Microsoft Research Station Q και στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα και συνεργάζεται με τον Willett. "Έχουμε σκεφτεί όσα περισσότερα πράγματα μπορούσαμε να σκεφτούμε και δεν βλέπουμε τίποτα που να παραβιάζει τη συμφωνία."
Πίσω στο εργαστήριό του, ο Willett έδειξε μια κοντινή φωτογραφία ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος καρφιτσωμένο στον τοίχο πάνω από τον υπολογιστή του. «Αυτό είναι ένα qubit», είπε χαμογελώντας. Το κύκλωμα περιστρεφόταν γύρω από την επιφάνεια του κρυστάλλου αρσενιδίου του γαλλίου, περικυκλώνοντας δύο θαλάμους που, αν όλα πάνε καλά, τελικά θα φιλοξενήσουν ένα ζευγάρι μη-αβελιανών οποιωνδήποτε. «Έχει μπούγκερ εδώ, εδώ κι εδώ», είπε, χτυπώντας τα ελαττώματα στο μοτίβο. "Αλλά έχουμε όλα τα βήματα για να το κάνουμε τώρα."
Η ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή βασίζεται στην παράξενη και μοναδική ικανότητα των κατοίκων του κβαντικού κόσμου - από ηλεκτρόνια και φωτόνια έως μη αβελιανά οποιονδήποτε - να είναι πολλά πράγματα ταυτόχρονα. Ένα ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, μπορεί να περιστρέφεται τόσο δεξιόστροφα όσο και αριστερόστροφα ταυτόχρονα. Ένα φωτόνιο μπορεί να πολωθεί κατά μήκος δύο αξόνων. Τα τρανζίστορ που χρησιμεύουν ως συνηθισμένα δυαδικά ψηφία μπορούν να βρίσκονται μόνο σε μία από τις δύο καταστάσεις (που συμβολίζονται με 0 ή 1), αλλά τα qubits που παράγονται από περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια ή πολωμένα φωτόνια είναι μείγματα ή «υπερθέσεις» του 0 και του 1, που υπάρχουν και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Και ενώ η χωρητικότητα ενός συνηθισμένου υπολογιστή αυξάνεται γραμμικά με τον αριθμό των bit, όταν ο αριθμός των qubit αυξάνεται, οι υπερθέσεις τους μπλέκονται:Κάθε δυνατότητα συνδυάζεται με κάθε άλλη για να δημιουργήσει έναν εκθετικά αυξανόμενο χώρο πιθανοτήτων για την κατάσταση του κβαντικού υπολογιστή ως ένα ολόκληρο. Οι φυσικοί ανακάλυψαν κβαντικούς αλγόριθμους που θα λειτουργούσαν σε αυτό το πολύπλευρο δίκτυο qubits με ταχύτητα ρεκόρ για εργασίες όπως αναζήτηση βάσεων δεδομένων, διάρρηξη κώδικα και προσομοιώσεις φυσικής υψηλού επιπέδου.
Το πρόβλημα με τις μπερδεμένες υπερθέσεις περιστρεφόμενων ηλεκτρονίων, πολωμένων φωτονίων ή των περισσότερων άλλων σωματιδίων που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως qubits είναι ότι είναι τρομερά ασταθή. Ένα ελαφρύ πινέλο με το περιβάλλον καταρρέει την υπέρθεση ενός qubit, αναγκάζοντάς το σε μια καθορισμένη κατάσταση 0 ή 1. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται «αποσυνοχή», τερματίζει απότομα έναν κβαντικό υπολογισμό. Για την καταπολέμηση της αποσυνοχής, ένας κβαντικός υπολογιστής κατασκευασμένος από μπερδεμένα ηλεκτρόνια, για παράδειγμα, απαιτεί κάθε μονάδα πληροφοριών να μοιράζεται σε ένα περίτεχνο δίκτυο πολλών qubits έξυπνα διατεταγμένα για να αποτρέψουν μια περιβαλλοντική διαταραχή του ενός να οδηγήσει στην κατάρρευση όλων. "Αυτό σας δίνει ένα μεγάλο γενικό κόστος", είπε ο Preskill. "Αν θέλετε εκατό λογικά qubits" - αυτά που εμπλέκονται σε έναν υπολογισμό - "θα χρειαστείτε δεκάδες χιλιάδες φυσικά qubits στον υπολογιστή."
Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες έχουν καταφέρει μόνο να δημιουργήσουν μικρές σειρές φυσικών qubits που παραμένουν μπερδεμένα για λιγότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου και δεν είναι σε θέση να κάνουν ενδιαφέροντες υπολογισμούς. «Δεν είμαι σίγουρος αν οι άνθρωποι θα διεκδικούσαν ακόμη ένα λογικό qubit», είπε ο John Martinis, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, η ομάδα του οποίου ανέφερε τον Απρίλιο τη δημιουργία μιας διάταξης πέντε qubit κατασκευασμένη από έναν υπεραγωγό. Ο Μαρτίνης είπε ότι έχει σημειωθεί κάποια πρόοδος στην καταπολέμηση των επιπτώσεων της αποσυνοχής "αλλά όχι απαραίτητα με τρόπο που θα ξέρετε πώς να δημιουργήσετε ένα λογικό qubit."
Έχοντας κατά νου το τρομακτικό πρόβλημα της αποσυνοχής, ο Ρώσος φυσικός Alexei Kitaev (τώρα του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια) το 1997 συνέλαβε μια διαφορετική προσέγγιση στον κβαντικό υπολογισμό που παρακάμπτει το ζήτημα εντελώς. Ο Kitaev συνειδητοποίησε ότι τα εξαιρετικά σταθερά qubits θα μπορούσαν θεωρητικά να σχηματιστούν από ζεύγη υποθετικών σωματιδίων που ονομάζονται μη αβελιανά ανώνια. Αυτό συμβαίνει επειδή η κατάσταση ενός ζεύγους μη-αβελιανών ανωνίων καθορίζεται όχι από τις εύθραυστες ιδιότητες όπως το σπιν ή η πόλωση, αλλά από την τοπολογία του:πώς οι διαδρομές των δύο ανωνίων έχουν πλεγμένο το ένα γύρω από το άλλο. Εάν τα μονοπάτια τους θεωρούνται ως κορδόνια παπουτσιών που ελίσσονται στο χώρο και το χρόνο, τότε όταν τα σωματίδια περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο, τα κορδόνια δένουν σε κόμπους. «Μη αβελιανή» σημαίνει η σειρά των περιστροφών που έχει σημασία:Η εναλλαγή οποιουδήποτε γονιδίου Α και Β και μετά Β και Γ, για παράδειγμα, παράγει διαφορετικές πλεξούδες από την εναλλαγή των Β και Γ μετά Α και Β. Αυτή η διάκριση επιτρέπει στα σωματίδια να χρησιμεύσουν ως qubits επειδή Οι καταστάσεις τους θα εξαρτώνται μοναδικά από το πώς έχουν πλέκεται το ένα γύρω από το άλλο, κωδικοποιώντας τα βήματα ενός κβαντικού αλγορίθμου. Και, πολύ σημαντικό, όπως το άγγιγμα των κορδονιών με κόμπους δεν θα τα λύσει, οι τυχαίες περιβαλλοντικές διαταραχές δεν θα ξετυλίξουν τις πλεξούδες των τοπολογικών qubits. Εάν υπάρχουν οποιοσδήποτε μη-αβελιανός και μπορεί να πλέξει, μπορούν θεωρητικά να αποτελέσουν τα δομικά στοιχεία ενός ισχυρού, κλιμακούμενου κβαντικού υπολογιστή.
"Οι χρόνοι συνοχής θα μπορούσαν πραγματικά να είναι εξαιρετικά μεγάλοι - εβδομάδες σε αντίθεση με τα μικροδευτερόλεπτα", είπε ο Nayak.
Το τοπολογικό σχήμα κβαντικών υπολογιστών του Kitaev προκάλεσε μεγάλο ενθουσιασμό επειδή υπήρχε ήδη ένα σωματίδιο για το οποίο υπήρχε ισχυρή υποψία ότι ήταν ένα μη αβελιανό:Ήταν μια άπιαστη οντότητα που είχε ανακαλυφθεί μια δεκαετία νωρίτερα από έναν μεταπτυχιακό φοιτητή στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης που έκανε την πρώτη του σύνολο πειραμάτων — Bob Willett. "Χρειάζεται πολλή τύχη για να δεις κάτι τέτοιο ακριβώς όταν ξεκινάς", είπε ο Willett.
Ο μέντορας του Willett, Horst Störmer, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στα Bell Labs που επισκεπτόταν συχνά το MIT, είχε το 1982 συνανακαλύψει μια νέα κατηγορία καταστάσεων ύλης, όπως υγρά ή στερεά, πολύ πιο περίεργα. (Για αυτό, θα μοιραζόταν το Νόμπελ Φυσικής του 1998 με τους Daniel Tsui και Robert Laughlin.) Ο Störmer και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι όταν η θερμοκρασία και η μαγνήτιση ενός δισδιάστατου φύλλου κρυστάλλου ήταν σωστά και ο κρύσταλλος ήταν τόσο καθαρός που τα ηλεκτρόνια παντού μέσα μπορούσαν να αισθανθούν το ένα το άλλο, τα ηλεκτρόνια θα έδιωχναν τις ατομικές τους ταυτότητες και θα σχημάτιζαν ένα συνεκτικό σμήνος. Και σε αυτό το σμήνος, θα εμφανίζονταν νέες σωματιδιακές οντότητες. Αντί για ηλεκτρόνια, ήταν πλεονάσματα μαγνητικού πεδίου, το καθένα με ηλεκτρικό φορτίο ίσο με κάποιο κλάσμα του ηλεκτρονίου — ένα τρίτο, για παράδειγμα. Οι θεωρητικοί νόμιζαν ότι κατανοούσαν γιατί εμφανίστηκαν αυτά τα κλασματικά φορτία. Αλλά το 1986, ο Willett βρήκε ένα παράδειγμα, που ονομάζεται κατάσταση 5/2 ("πέντε ημίχρονα"), που δεν ταίριαζε στη θεωρητική κατανόηση του ποια κλάσματα επιτρέπονταν.
Οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν τη δεκαετία του 1990 ότι τα σωματίδια στην κατάσταση 5/2 ήταν anyons, και πιθανότατα μη αβελιανά anyons, δημιουργώντας ελπίδες ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τοπολογικούς κβαντικούς υπολογισμούς. Το 2005, ο Nayak, ο διευθυντής του Microsoft Research Station Q Michael Freedman και ο Sankar Das Sarma του Πανεπιστημίου του Maryland σχεδίασαν ένα τοπολογικό qubit βασισμένο στην κατάσταση 5/2. Σύντομα ακολούθησαν σημαντικές απλουστεύσεις. Πολλοί πειραματιστές — συμπεριλαμβανομένου του Willett, ο οποίος είχε συνεχίσει να μελετά κλασματικές κβαντικές καταστάσεις στα Bell Labs κατά τις δεκαετίες που μεσολάβησαν — άρχισαν να δουλεύουν.
Η πρώτη εργασία ήταν να υποβληθούν τα anyons στην κατάσταση 5/2 σε ένα «πείραμα παρεμβολής» για να καθοριστεί εάν ήταν πραγματικά μη-αβελικά. Ο Willett και οι συνάδελφοί του εναπόθεσαν ένα κύκλωμα στην επιφάνεια ενός κρυστάλλου αρσενιδίου του γαλλίου, τον ψύξαν και τον μαγνήτισαν για να προκαλέσουν την κατάσταση 5/2 και στη συνέχεια μέτρησαν τις κορυφές και τα κατώτατα σημεία του ρεύματος που ρέει μέσα από το κύκλωμα. Όταν οποιοσδήποτε διασχίζει το κύκλωμα, χωρίζεται σε υπερθέσεις σε κάθε διακλάδωση του μονοπατιού και αργότερα συναντά πίσω. Εάν οι δύο υπερθέσεις είναι πανομοιότυπες, θα παρεμβάλλονται σαν επικαλυπτόμενα κύματα, δημιουργώντας κορυφές και κοιλότητες στο ρεύμα. Αν είναι διαφορετικά, περνούν σαν καράβια τη νύχτα, και το ρεύμα μένει σταθερό. Η παρουσία ή η απουσία ενός μοτίβου παρεμβολής εξαρτάται επομένως από τις καταστάσεις τους, οι οποίες για τα μη-αβελιανά οποιονδήποτε ελέγχονται από το πώς έχουν πλέξει γύρω από άλλα μη-αβελικά οποιονδήποτε. Εάν ο Willett μπορούσε να σκοτώσει το μοτίβο παρεμβολής παγιδεύοντας έναν περιττό αριθμό οποιωνδήποτε στο θάλαμο μέσα στο κύκλωμα - κάτι που θα έκανε τις υπερθέσεις να πλέκονται γύρω τους σε διαφορετικές κατευθύνσεις και να φτάσουν σε διαφορετικές καταστάσεις - τότε τα οποιονδήποτε πρέπει να είναι μη αβελικά.
Το αποτέλεσμα είναι λεπτό και στην αρχή μόλις ξεχώριζε έναντι ενός άλλου σήματος παρεμβολής από τα κανονικά "abelian" anyons, που προκύπτουν επίσης στην κατάσταση 5/2. Αλλά με τα χρόνια, καθώς ο Willett βελτίωσε τον σχεδιασμό του κυκλώματος του για να υποκινήσει περισσότερους από τους υποτιθέμενους μη-αβελιανούς να σχηματιστούν και οι συνεργάτες του αύξησαν την καθαρότητα των κρυστάλλων αρσενιδίου του γαλλίου, το σήμα ελεγχόμενης παρεμβολής έγινε πιο καθαρό. Τα πιο πρόσφατα αποτελέσματα της ομάδας του εμφανίστηκαν τον Οκτώβριο του 2013 στο Physical Review Letters.
«Αν κοιτάξετε συνολικά τα πειράματα, υποδηλώνουν έντονα ότι η κατάσταση 5/2 υποστηρίζει μη αβελιανές διεγέρσεις», είπε ο Μάικ Μάνφρα, καθηγητής φυσικής και πειραματιστής με αρσενίδιο του γαλλίου στο Πανεπιστήμιο Purdue, ο οποίος παρείχε δείγματα στον Willett. "Είναι επίσης αλήθεια ότι αυτά τα αποτελέσματα πρέπει να αναπαραχθούν σε ένα ανεξάρτητο εργαστήριο για να είναι οριστικά."
Άλλοι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Charles Marcus, τώρα στο Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη της Δανίας, προσπάθησαν και απέτυχαν να αναπαράγουν τα δεδομένα του Willett. «Δεν βλέπουμε τα κουνήματα που βλέπει», είπε ο Μάρκους. «Δεν γνωρίζουμε ακόμη αν τα δεδομένα που αναφέρει ο Μπομπ είναι αυτό που τελικά θα δουν όλοι ή αν θα πούμε, «Όχι, αυτό ήταν μια κόκκινη ρέγγα».
Αλλά ο Willett και οι συνεργάτες του υποψιάζονται ότι οι τεχνικές του Marcus φταίνε. Ο καλύτερος καλλιεργητής αρσενιδίου του γαλλίου στον κόσμο, ο Λόρεν Φάιφερ, ένας μακροχρόνιος φυσικός της Bell Labs που μετακόμισε στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον το 2009 και συνεχίζει να συνεργάζεται με τον Γουίλετ, λέει ότι δεν θα περίμενε από την ομάδα του Μάρκους να ανιχνεύσει κανέναν μη αβελιανό. Και οι δύο ομάδες χρησιμοποιούν κρυστάλλους αρσενιούχου γαλλίου Pfeiffer, αλλά εφαρμόζουν διαφορετικές τεχνικές κατασκευής κυκλώματος. Ο Pfeiffer, ο οποίος περιέγραψε τις τακτικές σειρές ατόμων στους κρυστάλλους του ως «έναν όμορφα περιποιημένο κήπο», πιστεύει ότι η διαδικασία χάραξης του Marcus είναι πολύ σκληρή.
Όταν πιέστηκε, ο Marcus είπε ότι υποψιάζεται ότι τα ευρήματα του Willett και των συνεργατών του θα δικαιωθούν τελικά. «Νομίζω ότι υπάρχουν μη-αβελιανοί στην κατάσταση των πέντε ημιχρόνων; Ναι το κάνω», είπε. Ούτως ή άλλως, πρόσθεσε, το θέμα θα διευθετηθεί μια για πάντα "αν το qubit λειτουργήσει".
Η κατασκευή ενός τοπολογικού qubit είναι λίγο πιο περίπλοκη από το πείραμα παρεμβολής που έχουν ήδη κάνει ο Willett και οι συνεργάτες του. «Βασικά απλώς διπλασιάστε το συμβολόμετρο για να φτιάξετε δύο θαλάμους αντί για έναν», εξήγησε. Το πρόσθετο βήμα είναι μια «αερογέφυρα» για τη σύνδεση των θαλάμων, η οποία επιτρέπει σε ένα ζεύγος οποιουδήποτε να χωριστεί μεταξύ τους. Αυτά τα οποιονδήποτε υπάρχουν σε μια υπέρθεση και οι καταστάσεις τους μπορούν να αλλάξουν από ένα ρεύμα οποιουδήποτε πλέγματος γύρω τους μέσω του κυκλώματος. «Αυτό είναι», είπε ο Γουίλετ. "Αυτό αποτελεί το στοιχείο ενός τοπολογικού qubit."
Ο Willett έχει εργαστεί στην ίδια σειρά εργαστηρίων κατά μήκος του φαινομενικά ατελείωτου κύριου διαδρόμου της Bell Labs για 25 χρόνια. Πριν από έξι χρόνια, η μητρική εταιρεία του εργαστηρίου, η Alcatel-Lucent, άρχισε να μειώνει το βασικό της πρόγραμμα έρευνας. Ο Φάιφερ μετακόμισε στο Πρίνστον, παίρνοντας μαζί του την τέλεια βαθμονομημένη μηχανή «επιταξίας μοριακής δέσμης». Οι περισσότεροι άλλοι έφυγαν επίσης, αλλά ο Willett παρέμεινε. Του αρέσει να θυμάται τις ακμές της AT&T, όταν διάσημα πλέον ονόματα της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης γέμιζαν τα μεγάλα τραπέζια στην ευρύχωρη καφετέρια. Το επίκεντρο πολλών ραγδαίων καινοτομιών στη θεμελιώδη φυσική τον περασμένο αιώνα, τα Bell Labs είναι επίσης η γενέτειρα του τρανζίστορ, του λέιζερ, των συζευγμένων συσκευών, του λειτουργικού συστήματος UNIX, των γλωσσών προγραμματισμού C και C++ και της ίδιας της θεωρίας πληροφοριών. Έχουν απονεμηθεί επτά βραβεία Νόμπελ για την έρευνα στο κτίριο. Σήμερα, ο Willett έχει τα εργαστήριά του σχεδόν για τον εαυτό του, τον ευτυχισμένο βασιλιά ενός σε μεγάλο βαθμό ακατοίκητο βασίλειο. Μέρα με τη μέρα, καθώς παγιδεύει πέρα δώθε ανάμεσα στο ντουλάπι των κρυστάλλων του, τις 25χρονες μηχανές που χρησιμοποιεί για να εναποθέτει το κύκλωμα στις γκοφρέτες αρσενικού γαλλίου του Pfeiffer και τις αχνιστικές δεξαμενές υγρού ηλίου που ψύχουν αυτές τις γκοφρέτες, πλησιάζει. για την προσθήκη μιας εξαιρετικής νέας καταχώρησης στην εγκυκλοπαιδική ιστορία των ανακαλύψεων της Bell Labs.
«Θα μπορέσουμε να συνειδητοποιήσουμε ένα qubit», είπε. «Η υποκείμενη φυσική είναι εκεί. Τώρα θα γίνει κάποια τεχνική δουλειά, αλλά νομίζω ότι αυτό το κομμάτι μπαίνει στη θέση του."
Φυσικά, μπορεί να προκύψουν απρόβλεπτα εμπόδια. Ή, μακροπρόθεσμα, άλλες προσεγγίσεις στον κβαντικό υπολογισμό μπορεί να γίνουν τόσο καλές στην αποτροπή της αποσυνοχής που η τοπολογική προσέγγιση χάνει το πλεονέκτημά της. Ωστόσο, εάν το πείραμα του Willett πετύχει, τότε η Alcatel-Lucent, καθώς και άλλα εργαστήρια και φορείς χρηματοδότησης, πιθανότατα θα κλιμακώσουν τη μελέτη τους για την κατάσταση 5/2 και πιθανώς θα ενισχύσουν την παραγωγή τοπολογικών qubits. "Αμέσως, περιμένω εκατό άτομα να το πηδήξουν και να αρχίσουν να το δουλεύουν", είπε ο Das Sarma.
Ο Willett, για ένα, θα έθετε έναν νέο στόχο να επεκτείνει το σχέδιο του κυκλώματος του για να δημιουργήσει έναν πίνακα πολλαπλών qubit. Ελπίζει να κατασκευάσει τελικά έναν λειτουργικό τοπολογικό κβαντικό υπολογιστή. Όταν ρωτήθηκε αν το κίνητρό του προέρχεται από όλες τις πιθανές χρήσεις μιας τέτοιας τεχνολογίας, δεν μπορούσε να πει. Αλλά στην πραγματικότητα δεν φαινόταν να είναι αυτό. Ο Γουίλετ φαινόταν να οδηγείται στο μονοπάτι του από την ορμή όλων όσων είχαν προηγηθεί, παρά από αυτό που βρισκόταν μπροστά. «Υπάρχουν περίπου 40 χρόνια προσπάθειας πίσω από την κατασκευή αυτών των γκοφρετών», παρατήρησε. "Όλοι εδώ σε αυτό το κτίριο."
