Η σημαντική στρατηγική κβαντικών υπολογιστών υφίσταται σοβαρές αποτυχίες

Το 2018, οι ερευνητές στην πρώτη γραμμή μιας εντελώς νέας προσέγγισης για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature , κάτι που φαινόταν ως επίτευγμα ορόσημο. Οι υπάρχοντες κβαντικοί υπολογιστές είναι διαβόητα εύθραυστοι, τα κβαντικά τους bit - qubits - είναι επιρρεπή σε τυχαία σφάλματα. Αλλά αν τα qubits μπορούσαν να κατασκευαστούν από περίεργες διαμορφώσεις ηλεκτρονίων με το εξωτικό όνομα των οιονεί σωματιδίων Majorana zero-mode (MZM), σφάλματα απλά δεν θα μπορούσαν να συμβούν. Ένα qubit MZM δεν μπορεί να υποστεί ένα τυχαίο σφάλμα από όσο μπορείτε να διαχωρίσετε τους κρίκους μιας αλυσίδας χωρίς να τους κόψετε — οι βασικές αρχές της τοπολογίας, τα μαθηματικά του σχήματος, προστατεύουν από αυτό.

Αυτά τα «τοπολογικά» qubits είναι εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστούν, αλλά παρά τις τεχνικές προκλήσεις, ορισμένοι ερευνητές είναι πεπεισμένοι ότι είναι ο μόνος δρόμος για την κατασκευή ενός χρήσιμου κβαντικού υπολογιστή με πολλές εκατοντάδες ή χιλιάδες qubits. Η Microsoft, για παράδειγμα, ποντάρει την κύρια στρατηγική κβαντικής υπολογιστικής της στρατηγικής σε τοπολογικά qubits.

Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο το 2018 Φύση το χαρτί τράβηξε τόση προσοχή. Μια ομάδα με επικεφαλής τον Leo Kouwenhoven, έναν φυσικό στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία, είπε ότι βρήκαν την οριστική υπογραφή των οιονεί σωματιδίων MZM σε νανοσύρματα αντιμονιδίου του ινδίου. Η εργασία τους αναγγέλθηκε, με πολλές φανφάρες στον Τύπο, ως η αυγή του τοπολογικού κβαντικού υπολογισμού. Το 2019, η Microsoft άνοιξε το δικό της κβαντικό εργαστήριο στην πανεπιστημιούπολη του Ντελφτ, με διευθυντή τον Kouwenhoven.

Τότε τα πράγματα άρχισαν να καταρρέουν. Αργότερα εκείνο το έτος, ο Σεργκέι Φρόλοφ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ, και ο συνεργάτης του Βίνσεντ Μούρικ από το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας στην Αυστραλία έκαναν παρόμοια δουλειά στα δικά τους εργαστήρια. (Τόσο ο Frolov όσο και ο Mourik είναι πρώην μέλη της ομάδας του Kouwenhoven.) Ο Frolov και ο Mourik διαπίστωσαν ότι δεν μπορούσαν να αναπαράγουν τα αποτελέσματα του Delft. Εκείνο τον Οκτώβριο, το δίδυμο ζήτησε από την ομάδα του Kouwenhoven τα ακατέργαστα δεδομένα τους και τον Δεκέμβριο βρήκαν μερικές περίεργες ασυνέπειες:Φαινόταν σαν να είχαν χειραγωγηθεί ορισμένες από τις πλοκές και οι ισχυρισμοί της εφημερίδας δεν επιβεβαιώθηκαν όταν ελήφθη το πλήρες φάσμα των μετρήσεων υπόψη.

Αντιμέτωπη με αυτά τα προβλήματα, η ομάδα του Kouwenhoven σχεδίασε εκ νέου τα δεδομένα της και διαπίστωσε ότι τα συμπεράσματα δεν ίσχυαν πλέον. Τον Μάρτιο του 2021, κατόπιν αιτήματος του Kouwenhoven, Nature απέσυρε το χαρτί. Η ομάδα έγραψε στην ανάκλησή της ότι «δεν μπορούσαν πλέον να διεκδικήσουν την παρατήρηση μιας κβαντισμένης αγωγιμότητας Majorana». Πρόσθεσαν μια συγγνώμη "για την ανεπαρκή επιστημονική αυστηρότητα στο αρχικό μας χειρόγραφο."

Το περιστατικό πυροδότησε έρευνα από ανεξάρτητη επιτροπή. Η έρευνα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν υπήρχαν στοιχεία για δόλια κατασκευή ή χειραγώγηση δεδομένων. Οι συγγραφείς είχαν απλώς κοροϊδέψει τον εαυτό τους κάνοντας ζουμ μόνο στα αποτελέσματα που τους έδειχναν αυτό που ήλπιζαν να δουν. «Το ερευνητικό πρόγραμμα που ανέπτυξαν οι συγγραφείς είναι ιδιαίτερα ευάλωτο στην αυταπάτη και οι συγγραφείς δεν προφυλάχτηκαν από αυτό», έγραψαν οι συντάκτες της έκθεσης.

«Ήταν ένα ατυχές περιστατικό υπερβολικού ζήλου σε συνδυασμό με απροσεξία», είπε ο Πάτρικ Λι, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και μέλος της επιτροπής.

Η ανάκληση, μαζί με άλλα πρόσφατα παραδείγματα υψηλού προφίλ σχετικών εργασιών που κατέρρευσαν μετά από προσεκτικότερη εξέταση, έχει εκθέσει μια πρόσθετη πρόκληση στην καρδιά της τοπολογικής κβαντικής έρευνας:Όχι μόνο είναι εξαιρετικά δύσκολο να δημιουργηθεί ένα τοπολογικό qubit, αλλά και κανένας είναι σίγουρο πώς να εντοπίσετε ακόμη και ένα. Οι κβαντικοί κανόνες που οδηγούν σε ημισωματίδια MZM επιτρέπουν επίσης τη δημιουργία άλλων περίεργων κβαντικών καταστάσεων — καταστάσεις που μιμούνται τα σωματίδια Majorana αλλά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για έναν κβαντικό υπολογιστή.

Εξαιτίας αυτών και άλλων εμποδίων, το πεδίο των τοπολογικών κβαντικών υπολογιστών έχει εισέλθει σε μια περίοδο αυτοστοχασμού, αν όχι απόλυτης κρίσης. «Ανησυχώ ότι, μετά από μια σειρά λανθασμένων εκκινήσεων, ένα σημαντικό τμήμα του πεδίου Majorana κοροϊδεύει τον εαυτό του», έγραψε ο Frolov σε ένα σχόλιο στο Nature τον Απρίλιο. Ωστόσο, παρά αυτό το πρόβλημα, ακόμη και οι επικριτές του πεδίου βρίσκουν την επιστήμη πολύ υποσχόμενη για να αγνοηθεί. «Η φυσική πίσω από τη δημιουργία του Majoranas είναι καλά κατανοητή θεωρητικά», είπε ο Frolov κατά τη διάρκεια μιας διαδικτυακής συζήτησης. «Συνήθως όταν αυτό συμβαίνει στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, η φυσική συνειδητοποίηση δεν είναι πολύ πίσω. Είμαι βέβαιος ότι μέσα στα επόμενα δύο χρόνια, μία ή περισσότερες ομάδες θα βρουν ισχυρές αποδείξεις για αυτές».

Η δύναμη των ζευγών

Οι μηδενικοί τρόποι Majorana αποτελούν παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια στα αγώγιμα υλικά μπορούν να μεταμφιεστούν ως διαφορετικά είδη σωματιδίων, με διαφορετικό φορτίο, μάζα, κινητικότητα και συλλογική συμπεριφορά. Είναι «αναδυόμενα αποτελεσματικά σωματίδια φτιαγμένα από ηλεκτρόνια», είπε ο Τσάρλι Μάρκους, φυσικός στο Ινστιτούτο Niels Bohr και διευθυντής του κβαντικού εργαστηρίου της Microsoft στην Κοπεγχάγη. Μοιάζει μάλλον με το πώς θα μπορούσαμε να περιγράψουμε την οικονομική δραστηριότητα ως αλληλεπιδράσεις ολόκληρων εταιρειών και όχι των ανθρώπων που τις αποτελούν.

Ίσως το πιο γνωστό παράδειγμα οιονεί σωματιδίου ηλεκτρονίων είναι αυτό που ευθύνεται για την υπεραγωγιμότητα, όπου ορισμένα μέταλλα και άλλα υλικά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες άγουν ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση. Στην απλούστερη υπεραγώγιμη κατάσταση, τα ηλεκτρόνια φαίνεται να ζευγαρώνουν ως τα λεγόμενα οιονεί σωματίδια ζεύγους Cooper. Παρόλο που μπορεί να είναι ευρέως διαχωρισμένα στο διάστημα, τα ηλεκτρόνια σε ένα ζεύγος Cooper λειτουργούν σαν ένα μόνο σωματίδιο καθώς κινούνται μέσα στο υλικό. Αυτό το ζευγάρωμα έχει μια κρίσιμη συνέπεια:Τα ζεύγη Cooper μπορούν όλα να καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, χωρισμένα από την επόμενη κατάσταση από ένα ενεργειακό χάσμα που τα οιονεί σωματίδια δεν μπορούν να υπερπηδήσουν. Ως αποτέλεσμα, τα ζεύγη Cooper δεν μπορούν εύκολα να διασκορπιστούν σε διαφορετική κβαντική κατάσταση από συγκρούσεις με άτομα στο κρυσταλλικό πλέγμα του υλικού, έτσι κινούνται χωρίς αντίσταση. Θα μπορούσατε να πείτε ότι τα οιονεί σωματίδια αποτελούνται από ηλεκτρόνια που προστατεύονται από τη σκέδαση.

Τα MZM είναι ένα διαφορετικό είδος οιονείσωματιδίου ηλεκτρονίων. Προβλέπεται ότι εμφανίζονται σε ένα υλικό, όπως ένας ημιαγωγός, που έχει ενεργειακό κενό όταν τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνονται με διαφορετικό τρόπο. Ένα από τα απλούστερα συστήματα που προβλέφθηκε να δείξει αυτή τη συμπεριφορά, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τον φυσικό Alexei Kitaev στις αρχές της δεκαετίας του 2000, είναι μια μονοδιάστατη αλυσίδα ηλεκτρονίων. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες τα ηλεκτρόνια μπορούν να ζευγαρώσουν με τους γείτονές τους για να γίνουν υπεραγώγιμα. Αλλά τα ηλεκτρόνια σε κάθε άκρο της αλυσίδας έχουν μόνο τους μισούς συνεργάτες. Γίνονται δύο μισά ενός οιονεί σωματιδίου, ευρέως διαχωρισμένα στο διάστημα. Αυτό το οιονεί σωματίδιο μπορεί να θεωρηθεί ότι υπάρχει ακριβώς στη μέση του ενεργειακού χάσματος, με ακριβώς μηδενική ενέργεια — εξ ου και η «λειτουργία μηδέν».

Το κρίσιμο σημείο σχετικά με τα οιονεί σωματίδια μηδενικού τρόπου είναι ότι το καθένα αποτελείται από τις καταστάσεις ηλεκτρονίων και στα δύο άκρα. Επομένως, δεν μπορείτε να μάθετε τίποτα γι 'αυτό, ή να το ενοχλήσετε, εξετάζοντας μόνο το ένα άκρο. Εάν οι δύο τελικές καταστάσεις μπορούσαν με κάποιο τρόπο να ενωθούν στο διάστημα, θα συντήκονταν για να παράγουν είτε ένα ηλεκτρόνιο είτε τίποτα - μια κατάσταση κενού. Ενώ είναι χωρισμένα, βρίσκονται σε ένα είδος κβαντικής υπέρθεσης και των δύο καταστάσεων. Έτσι, ένα MZM μπορεί να λειτουργήσει ως bit δύο καταστάσεων για την κωδικοποίηση κβαντικών πληροφοριών:ένα qubit.

Το ότι τα δύο μισά ενός οιονείσωματιδίου MZM δεν μπορούν να συγχωνευθούν σε τίποτα - ένα κενό κενό - εξηγεί το όνομά τους. Αυτός ο αυτοεκμηδενισμός είναι σαν αυτόν ενός ζεύγους σωματιδίων και αντισωματιδίων, με τη διαφορά ότι εδώ και τα δύο μέλη του ζεύγους είναι πανομοιότυπα. Υποθετικά θεμελιώδη σωματίδια που είναι τα δικά τους αντισωματίδια προτάθηκαν ως πιθανότητα από τον Ιταλό φυσικό Ettore Majorana, που εργαζόταν στην ομάδα του Enrico Fermi στη Ρώμη, το 1937. Δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ τέτοιο σωματίδιο. Τα MZM είναι το ισοδύναμο των οιονεί σωματιδίων τους, υποδεικνύοντας πώς οι συμπεριφορές των σωματιδίων που φαίνονται ή προτείνονται στη φυσική υψηλής ενέργειας εμφανίζονται τώρα σε υλικά που διέπονται από κβαντικούς νόμους.

Το πρόβλημα είναι ότι όχι μόνο κανείς δεν έχει φτιάξει ποτέ ένα qubit MZM, αλλά κανείς δεν έχει δείξει πειστικά την ύπαρξη έστω και ενός οιονείσωματιδίου MZM.

The Escape Artist

Η πρώτη αναφερόμενη παρατήρηση Majoranas σε νανοσύρματα ήρθε το 2012 από την ομάδα του Kouwenhoven στο Delft. Κοιτάζοντας πίσω, ήταν ένα πρώιμο σημάδι του πόσο δύσκολο θα ήταν να δημιουργηθούν σαφείς αποδείξεις αυτών των αόριστων οιονεί σωματιδίων.

Για να αναζητήσουν MZM, οι ερευνητές εφαρμόζουν γενικά μια τάση σε καλώδια νανοκλίμακας κατασκευασμένα από ημιαγώγιμο υλικό συνδεδεμένο με έναν υπεραγωγό. Σχεδιάζουν προσεκτικά την αγωγιμότητα μέσω του σύρματος. Εάν περιέχει MZM, τότε καθώς η τάση αλλάζει, η αγωγιμότητα θα πρέπει να αυξάνεται σε διακριτά κβαντισμένα βήματα και να κορυφώνεται σε ακριβώς μηδενική τάση — την ενέργεια που αντιστοιχεί στη λειτουργία μηδέν.

Η εργασία του Kouwenhoven του 2012 ανέφερε ότι ανακάλυψαν αυτήν την «αιχμή μηδενικής προκατάληψης», αλλά άλλοι ερευνητές σύντομα άρχισαν να ανησυχούν ότι το σήμα δεν ήταν μοναδικό για τον Majoranas. Για παράδειγμα, ο Eduardo Lee, ένας φυσικός τώρα στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης, και οι συνεργάτες του έδειξαν το 2013 ότι ένα τέτοιο σήμα θα μπορούσε να μιμηθεί από τις γνωστές ως Andreev δεσμευμένες καταστάσεις (ABS) στο ενεργειακό χάσμα όπου πιστεύεται ότι τα MZMs Καθίστε. Στη συνέχεια, νωρίτερα αυτό το έτος, ο Marco Valentini του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας στο Klosterneuburg της Αυστρίας και οι συνεργάτες του επανέλαβαν πειράματα όπως αυτά στο Delft και έδειξαν ότι αυτό το σύστημα παρουσιάζει μια κορυφή μηδενικής προκατάληψης λόγω ενός συγκεκριμένου είδους ABS που ονομάζεται Yu-Shiba -Κατάσταση Rusinov — ένα οιονείσωματίδιο που εμφανίζεται επίσης με μηδενική ενέργεια, αλλά δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία τοπολογικού qubit.

Τέτοια ψευδώς θετικά στοιχεία έχουν κολλήσει στο γήπεδο. Εκτός από την ανακληθείσα εργασία του Kouwenhoven το 2018, οι σκεπτικιστές επισημαίνουν άλλα παραδείγματα όπου οι ισχυριζόμενες παρατηρήσεις MZM δεν έχουν αναπαραχθεί. Τον Μάρτιο του 2020, ο Marcus και οι συνεργάτες του ανέφεραν στοιχεία στο Science που οι συγγραφείς είπαν ότι ήταν «σύμφωνο με την εμφάνιση μηδενικών τρόπων λειτουργίας Majorana». Ωστόσο, στα τέλη Ιουλίου 2021, το περιοδικό δημοσίευσε μια «συντακτική έκφραση ανησυχίας» σχετικά με το εάν τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη ήταν πλήρως αντιπροσωπευτικά. Το Ινστιτούτο Niels Bohr ξεκίνησε μια ανεξάρτητη έρευνα για την έρευνα. Ο Μάρκους και οι συνάδελφοί του στέκονται πίσω από το πρωτότυπο χαρτί.

Το πρόβλημα, σύμφωνα με κριτικούς όπως ο Frolov, είναι ότι τα σωματίδια Majorana δεν είναι απαραίτητα για την παραγωγή των σημάτων που φαίνονται. «Ωστόσο, συνέχισαν να βγαίνουν καταφατικά έγγραφα χωρίς καν να αναφέρουν εναλλακτικές εξηγήσεις», έγραψε στο Nature του. κριτική. (Ο Frolov απέρριψε πολλαπλά αιτήματα για συνέντευξη για αυτό το άρθρο.) Κατηγορεί τους ερευνητές ότι επιλέγουν τα δεδομένα τους και ζητά μεγαλύτερη διαφάνεια όσον αφορά την κοινή χρήση τους. Έχει εντοπίσει πέντε διαγνωστικές υπογραφές του Majoranas. Οι περισσότερες από τις εφημερίδες που υποστηρίζουν θεάσεις από το 2012 δείχνουν μόνο μία ή δύο από αυτές, είπε — αλλά καμία δεν τις δείχνει όλες.

Ωστόσο, το πραγματικό πρόβλημα, ισχυρίζεται ο Marcus, δεν είναι οι πρόωροι ισχυρισμοί αλλά η δυσκολία επαλήθευσης. Ο Marcus θέλει να κάνει τα καλύτερα δυνατά πειράματα για να δει αν υπάρχουν Majoranas, αλλά «δεν θα υπάρξει ποτέ μια μέρα που θα πεις:Είναι αποδεδειγμένο!» αυτός είπε. «Απλώς δεν λειτουργεί έτσι η πειραματική φυσική. Πάντα θα υπάρχει κάποιος έξυπνος άντρας εκεί έξω που θα λέει:«Σκέφτηκα κάτι άλλο! Δεν περνάει όλα τα τεστ Majorana!» Αυτό συνεχίζεται για πάντα.»

Το ερώτημα τότε γίνεται:Πώς κατασκευάζετε έναν κβαντικό υπολογιστή από κάτι που δεν μπορείτε να πείτε με βεβαιότητα ότι υπάρχει;

Πλεγμένες πληροφορίες

Το κλειδί για τον κβαντικό υπολογισμό είναι ότι, κατά τη διάρκεια του υπολογισμού, πρέπει να αποφύγετε να αποκαλύψετε ποιες πληροφορίες κωδικοποιούν τα qubits σας:Αν κοιτάξετε λίγο και πείτε ότι έχει 1 ή 0, γίνεται απλώς ένα κλασικό bit. Επομένως, πρέπει να προστατεύσετε τα qubits σας από οτιδήποτε μπορεί να αποκαλύψει ακούσια την αξία τους. (Αυστηρότερα, αποφασίστε την τιμή τους — γιατί στην κβαντομηχανική αυτό συμβαίνει μόνο όταν μετράται η τιμή.) Πρέπει να αποτρέψετε τη διαρροή τέτοιων πληροφοριών στο περιβάλλον.

Αυτή η διαρροή αντιστοιχεί σε μια διαδικασία που ονομάζεται κβαντική αποσυνοχή. Ο στόχος είναι να πραγματοποιηθεί κβαντικός υπολογισμός προτού πραγματοποιηθεί αποσυνοχή, καθώς θα καταστρέψει τα qubits με τυχαία σφάλματα που θα καταστρέψουν τον υπολογισμό.

Οι τρέχοντες κβαντικοί υπολογιστές συνήθως καταστέλλουν την αποσυνοχή απομονώνοντας τα qubits από το περιβάλλον τους όσο το δυνατόν καλύτερα. Το πρόβλημα είναι, καθώς ο αριθμός των qubit πολλαπλασιάζεται, αυτή η απομόνωση γίνεται εξαιρετικά δύσκολο να διατηρηθεί:Η αποσυνοχή είναι βέβαιο ότι θα συμβεί και τα σφάλματα εισχωρούν. Έτσι, για οποιονδήποτε από τους υπάρχοντες κβαντικούς υπολογιστές όπως αυτοί που κατασκευάζονται από την IBM, την Google και άλλους, κλιμακώνεται στα μεγάλα συστήματα «θα απαιτήσουν σαφώς τεράστιες ποσότητες ενεργής διόρθωσης σφαλμάτων», δήλωσε ο Scott Aaronson, επιστήμονας υπολογιστών και κβαντικός θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν. Οι τρέχουσες προτάσεις για να το κάνετε αυτό περιλαμβάνουν την καλωδίωση τεράστιου αριθμού "φυσικών qubit" σε ένα μόνο "λογικό qubit" με δυνατότητα διόρθωσης σφαλμάτων. Ορισμένες εκτιμήσεις υποδηλώνουν ότι θα χρειάζονταν εκατοντάδες ή και χιλιάδες φυσικά qubits για κάθε λογικό qubit — μια ιλιγγιώδης τεχνική πρόκληση.

Ο Kitaev συνειδητοποίησε ότι τα οιονεί σωματίδια Majorana θα μπορούσαν να γίνουν ανθεκτικά σε σφάλματα - δηλαδή στην αποσυνοχή - εάν τα δύο μισά στα άκρα μιας αλυσίδας ηλεκτρονίων ανακατευτούν έτσι ώστε οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται σε κάθε ζεύγος τελικών καταστάσεων να μπορούν να διατηρηθούν τέλεια κρυμμένες και Δεν διαρρέει ακούσια στο περιβάλλον για να προκαλέσει αποσυνοχή. Επειδή αυτό το ανακάτεμα συνδυάζει τις τροχιές των σωματιδίων - τα "νήματα" της γραμμής χρόνου τους - ονομάζεται πλέξη.

Δείτε πώς λειτουργεί το πλέξιμο. Εάν φέρετε δύο οιονεί σωματίδια Majorana μαζί, αυτά καταρρέουν είτε σε ηλεκτρόνιο είτε σε κατάσταση κενού. Μόλις συμβεί αυτό, ξέρετε τι είναι — οι πληροφορίες τους αποκαλύπτονται. Αλλά τώρα ας υποθέσουμε ότι πολλά ζευγάρια τύπου Majorana ανακατεύονται σαν ζευγάρια σε έναν τετράγωνο χορό, αλλάζοντας συνεχώς συντρόφους διατηρώντας παράλληλα μια κατάλληλη κοινωνική απόσταση. Όσο ο χορός συνεχίζεται, εξηγεί ο Marcus, «δεν μπορείς ποτέ να εστιάξεις σε μια μόνο Majorana και να τη ρωτήσεις σε ποια κατάσταση βρίσκεται — δηλαδή αν θα συντηχθεί με ένα ηλεκτρόνιο ή στο κενό. Επειδή θα λέει, «Δεν ξέρω, με ποιον χορεύω;»» Ουσιαστικά, το πλέξιμο διασφαλίζει ότι οι πληροφορίες στα ζεύγη Majorana δεν εντοπίζονται πλέον σε κανένα από αυτά, αλλά γίνονται μη τοπικές. Δεν μπορείτε ποτέ να το αποκαλύψετε ανακρίνοντας έναν από αυτούς.

«Όσο μένουν μακριά ο ένας από τον άλλον και αλλάζουν σύντροφο, το παιχνίδι συνεχίζεται», είπε ο Μάρκους. «Η ιδιοφυΐα του Kitaev ήταν να πει, εάν οι πληροφορίες αποθηκεύονται μη τοπικά, τότε καμία τοπική μέτρηση δεν αποκαλύπτει τις πληροφορίες. Αυτό προβλέπει ότι αυτό το πράγμα θα πρέπει να είναι ένα πολύ καλό qubit» — επειδή προστατεύεται από σφάλματα λόγω της τοπολογικής φύσης της πλέξης.

Για να πραγματοποιήσετε έναν κβαντικό υπολογισμό με τέτοια qubits MZM, μετακινείτε τα πλεγμένα νήματα με έναν καθορισμένο τρόπο και, στη συνέχεια, φέρνετε τα ζεύγη μαζί για να δείτε εάν συντήκονται για να σχηματίσουν ένα ηλεκτρόνιο ή ένα κενό - αυτή είναι η ανάγνωση. Εάν αυτό γίνει με τον σωστό τρόπο, εκτελεί τον υπολογισμό, χωρίς σφάλματα.

Τέτοιος ανθεκτικός σε σφάλματα τοπολογικός κβαντικός υπολογισμός με χρήση MZM είναι «ένας δύσκολος τρόπος, αλλά όχι αδύνατος», είπε ο Lee. "Η Microsoft έχει κάνει ένα τζόγο για να κάνει αυτό το στοίχημα, [αλλά] νομίζω ότι αξίζει να το πάρετε."

Και αν οι φυσικοί έχουν μια απίστευτα δύσκολη στιγμή να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη οιονεί σωματιδίων MZM, ίσως θα έπρεπε απλώς να παραιτηθούν από αυτό το βήμα. Στο τέλος, ο Marcus πιστεύει ότι οι πειραματιστές ίσως χρειαστεί να σταματήσουν να προσπαθούν να κλείσουν όλα τα κενά και απλώς να προχωρήσουν και να προσπαθήσουν να πλέκουν το σύστημα για να δουν αν θα εμφανιστεί ένα ισχυρό qubit. Τελικά, ποιος νοιάζεται αν είναι οριστικά MZM ή κάποιο άλλο οιονείσωματίδιο, αρκεί να είναι ένα καλό qubit;

Πράγματι, υπάρχουν ήδη προτάσεις για τη χρήση και άλλων οιονεί σωματιδίων ως qubits. Για παράδειγμα, η Χριστίνα Ψαρουδάκη του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και ο Χρήστος Παναγόπουλος του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Nanyang στη Σιγκαπούρη έχουν προτείνει ότι τα σκυρμιόνια - μοτίβα που μοιάζουν με δίνη στον προσανατολισμό των περιστροφών σε ένα μαγνητικό υλικό - μπορεί να προσφέρουν έναν άλλο τρόπο κωδικοποίησης και χειρισμού τοπολογικά προστατευμένου κβαντικού πληροφορίες.

Παρόλο που «οι δυσκολίες στην εύρεση MZM ή γενικότερα στο να λειτουργήσουν ακόμη και τα πιο βασικά δομικά στοιχεία του τοπολογικού κβαντικού υπολογισμού στο εργαστήριο, ήταν ξεκάθαρα μια απογοήτευση για πολλούς στον τομέα», είπε ο Aaronson, η ελπίδα επιβιώνει. Νιώθει σίγουρος ότι θα βρεθούν «αργά ή γρήγορα». Ο Valentini συμφωνεί, παρόλο που έχει δείξει ότι οι υπογραφές MZM θα μπορούσαν να θεωρηθούν λανθασμένα με άλλα οιονεί σωματίδια. "Πιστεύω ακράδαντα ότι τα MZM θα δημιουργηθούν και θα εντοπιστούν", είπε.

Αλλά ο Aaronson προσθέτει ότι "το αν αυτή είναι μια βιώσιμη προσέγγιση στον κβαντικό υπολογισμό ευρύτερα - και αν θα κερδίσει τις ανταγωνιστικές προσεγγίσεις - εξακολουθεί να είναι εικασία όλων."

Στις αρχές του 2018, περίπου την εποχή που η Φύση δημοσίευσε το καταδικασμένο έγγραφο τοπολογικών υπολογιστών, ο Todd Holmdahl, ο αντιπρόεδρος της Microsoft τότε υπεύθυνος για τις προσπάθειές τους στον κβαντικό υπολογισμό, προέβλεψε ότι θα είχαν ένα λειτουργικό τοπολογικό qubit μέχρι το τέλος του έτους και έναν εμπορικό κβαντικό υπολογιστή βασισμένο στην τεχνολογία σε πέντε χρόνια. Αν και αυτές οι προβλέψεις φαίνονται τώρα υπερβολικά αισιόδοξες, αντικατοπτρίζουν την ευρύτερη διαφημιστική εκστρατεία που συνόδευε τους κβαντικούς υπολογιστές τα τελευταία 10 χρόνια. Οι πιο παραδοσιακές προσεγγίσεις στους κβαντικούς υπολογιστές έχουν γνωρίσει κάποιο βαθμό επιτυχίας, αλλά εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν τεράστιες προκλήσεις όσον αφορά την κλιμάκωση. Ο καλύτερος δρόμος για το από καιρό υποσχεμένο κβαντικό μέλλον παραμένει ασαφές.

«Θα ήταν ανεύθυνο από την κοινότητα της φυσικής να αποφασίσει τώρα ότι γνωρίζουμε ήδη τον μόνο τρόπο», είπε ο Άντι Στερν του Ινστιτούτου Επιστημών Weizmann στο Rehovot του Ισραήλ. "Βρισκόμαστε στη σελίδα 10 ενός θρίλερ και προσπαθούμε να μαντέψουμε πώς θα τελειώσει."

Διόρθωση: 30 Σεπτεμβρίου 2021
Ορισμένοι λεζάντες στην αρχική έκδοση αυτού του άρθρου εντόπισαν εσφαλμένα τον επιστήμονα που παρείχε τη φωτογραφία ως επικεφαλής του εργαστηρίου όπου τραβήχτηκε η φωτογραφία. Τα νανοσύρματα λέγεται ότι προέρχονται από το εργαστήριο του Μάρκο Βαλεντίνη, ωστόσο ο Βαλεντίνη είναι ερευνητής στο εργαστήριο του Γεωργίου Κατσαρού. Επιπλέον, μια συσκευή που εντοπίστηκε στο εργαστήριο του Patrick Lee βρισκόταν στην πραγματικότητα στο εργαστήριο του Jagadeesh S. Moodera, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Lee. Η Quanta λυπάται για τα σφάλματα.

Διευκρίνιση: 7 Οκτωβρίου 2021
Αυτό το άρθρο έχει ενημερωθεί για να διευκρινιστεί ότι ο Frolov αρνήθηκε να πάρει συνέντευξη για αυτό το άρθρο.