최근 봄 날에 호기심의 내각을 들여다 보면서 뉴저지 머레이 힐에있는 Bell Labs의 과학자 인 Bob Willett는 선반에서 작은 검은 색 수정을 뽑아 현미경으로 미끄러졌습니다. “이것은 좋은 것입니다.”그는 약속했다.
회로의 패턴은 정사각형 태양 광선처럼 결정의 표면에서 바깥쪽으로 방사됩니다. 윌렛과 그의 공동 작업자들의 수십 년의 시행 착오 산물은 갈륨 아르 세 나이드 조각으로 만들어졌으며, 내부의 전자는 방대한 마이크로 미터의 거리에 걸쳐 서로의 존재를 감지 할 수 있다고 그는 말했다. 결정이 자화되고 어느 정도의 정도로 냉각되면, 전자는 통합되어 상상할 수 없을 정도로 강력한 컴퓨터의 제작이 될 수있는 독특한 양자 상태를 형성합니다.
Willet은 일반 컴퓨터를 구성하는 비트와 유사한 정보 저장 장치 인 "토폴로지 큐 비트"를 구축하기 위해 그 상태를 활용하려고 시도하고 있습니다. 큐브는 양자 컴퓨터의 기본 빌딩 블록으로, 1980 년대 초에 고안된 미개발 기술입니다. 평범한 비트와 달리 큐 비트의 힘은 그 수와 함께 기하 급수적으로 증가합니다. 많은 작업의 경우, 100 개의 큐브로 구성된 비교적 작은 양자 컴퓨터는 세계 최고의 슈퍼 컴퓨터를 능가하고 인류를위한 새로운 수준의 컴퓨팅 능력을 안내합니다.
과학자들은 이미 큐 비트를 구축했지만, 입자의 꼰 경로에 정보를 저장하는 Willett의 토폴로지 버전이 실현되면 기존 프로토 타입보다 훨씬 안정적 일 가능성이 있습니다. 전문가들은 본격적인 양자 컴퓨터를 구축하는 가장 유망한 기초가 될 수 있다고 말합니다.
양자 컴퓨터를 구축하는 열쇠는 함께 연결될 수있는 큐 비트 수를 늘리는 것입니다. 지난 20 년 동안 방대한 자원에 대한 투자에도 불구하고, 기존 큐바이트의 극도로 취약성은 지금까지 네트워크에 대한 노력을 제한했으며 기술이 구체화 될지 여부에 대한 불확실성을 불러 일으켰습니다. 그러나 토폴로지 큐 비트는 근본적인 이점을 제공 할 것입니다. 비록 그들은 희귀하고 매우 까다로운 양자 상태에 의존하지만 (현재는 윌렛만이 일관되게 할 수있는 일을 할 수있는 것이 어렵다), 일단 형성되면, 이론적으로 견고한 노트처럼 행동 할 것입니다.
캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 양자 정보 및 물질 연구소 (Institute for Quantum Information and Matter)의 이론적 물리학 교수이자 John Preskill은“이론가의 관점에서 볼 때 토폴로지 양자 컴퓨팅은 강력한 양자 계산을 달성하는 가장 우아한 방법입니다. "그러나 토폴로지의 일에 관심이있는 사람들은 윌렛을 제외하고는 윌렛을 제외하고는 끔찍하게 어려울 것이라고 결정했습니다."
.키가 크고 친절하게 57 세인 Willett는 벨 랩스의 황량한 미로에서 일주일에 7 일 동안 일하면서 드물게 한마음의 헌신으로 목표를 추구합니다. 지난 몇 년 동안, 그는 초소형의 초고속, 초소형 갈륨 아르 세나이드 결정이 토폴로지의 절정에 필요한“비 에바 리아 anyons”라고 불리는 이상한 입자를 일으킨다는 증거를 수집했습니다. Willett의 데이터의 품질과 이론 및 수치 계산의 지원은 많은 외부 전문가들이 자신이보고있는 영향이 실제적이라고 믿게합니다. 그럼에도 불구하고 Willett의 실험은 너무 어려워서 다른 실험실이 그것을 복제 할 수 없었으며, 아벨리아 인 이외의 사람들에 대한 그의 인상적인 관찰은 그의 특정 설정이나 기술의 유물 일 가능성을 열어줍니다. 그럼에도 불구하고 Willett은 압박을하기로 결정했고 최근 세계 최초의 토폴로지 큐 비트가 될 수있는 건설을 시작했습니다.
Microsoft Research Station Q와 University of California, Santa Barbara의 이론적 물리학자인 Chetan Nayak은“성공 가능성이 높다고 생각합니다. "우리는 우리가 생각할 수있는만큼 많은 것을 생각했고 거래 차단기를 보지 못했습니다."
그의 실험실로 돌아온 Willett는 컴퓨터 위의 벽에 고정 된 전자 회로의 클로즈업 사진을 가리켰다. "그건 큐 비트입니다."그는 미소로 말했다. 회로는 갈륨 아르 세나이드 결정의 표면 주위에 으르렁 거리며, 모든 것이 잘 진행되면 결국 한 쌍의 비 에바 리아 anyons에 호스트를 할 수있는 두 개의 챔버를 둘러싸고 있습니다. "여기, 여기와 여기에 부거가 있습니다." "하지만 우리는 지금 이것을 만들기위한 모든 단계를 마련했습니다."
양자 컴퓨터의 개념은 전자 및 광자에서 비 에해한 Anyons에 이르기까지 양자 세계 주민들의 이상하고 독특한 능력에 의존합니다. 예를 들어, 전자는 동시에 시계 방향 및 시계 반대 방향으로 회전 할 수 있습니다. 광자는 두 축을 따라 편광 될 수 있습니다. 일반 비트 역할을하는 트랜지스터는 두 상태 중 하나 (0 또는 1)에만있을 수 있지만, 회전 전자 또는 편광 광자로 만든 큐 비트는 동시에 두 상태에 존재하는 0과 1의 혼합물 또는 "중첩"입니다. 그리고 보통 컴퓨터의 용량은 비트 수와 함께 선형으로 자라지 만, 큐 비트 수가 증가하면, 그 중첩이 얽히게됩니다. 각 가능성은 서로 결합하여 양자 컴퓨터의 상태에 대한 기하 급수적으로 증가하는 가능성의 공간을 만듭니다. 물리학 자들은 데이터베이스 검색, 코드 브레이킹 및 고급 물리 시뮬레이션을 포함한 작업을 위해 기록적인 속도 로이 다각적 인 큐 비트 네트워크에서 작동하는 양자 알고리즘을 발견했습니다.
.회전 전자, 편광 광자 또는 큐 비트 역할을 할 수있는 대부분의 다른 입자의 얽힌 중첩의 문제는 끔찍하게 불안정하다는 것입니다. 환경이있는 가벼운 브러시가 큐 비트의 중첩을 무너 뜨려 0 또는 1의 명확한 상태로 강제합니다.이 효과는“디코 언도”라고 불리는이 효과는 갑자기 양자 계산을 끝납니다. 예를 들어, 얽힌 전자로 만들어진 양자 컴퓨터는 디코 언어와 싸우기 위해, 각 정보 단위가 하나의 붕괴로 이어지는 것을 막기 위해 영리하게 배열 된 많은 큐브의 정교한 네트워크 사이에 각 정보 단위를 공유해야합니다. Preskill은“이것은 당신에게 큰 오버 헤드 비용을줍니다. “백만의 논리적 큐브를 원한다면” - 계산에 관련된 사람들 -“컴퓨터에 수만 개의 물리적 큐 비트가 필요합니다.”
.지금까지 과학자들은 밀리 초 미만으로 얽히고 흥미로운 계산을 수행 할 수없는 소량의 물리적 큐 비트 만 만들었습니다. 산타 바바라 (Santa Barbara)의 캘리포니아 대학교 (University of California)의 존 마티니 스 (John Martinis)는 4 월에 초전도체로 만든 5 쿼트 배열을 창조했다고보고 한 산타 바바라 (Santa Barbara)의 존 마티 니스 (John Martinis)는“사람들이 아직 논리적 인 큐 비트를 주장 할 것인지 확신 할 수 없다”고 말했다. Martinis는 분리의 영향과 싸우는 데 약간의 진전이 있었지만“논리적 인 큐 비트를 구축하는 방법을 아는 방법은 아닙니다.”
.1997 년 러시아 물리학 자 Alexei Kitaev (현재 캘리포니아 기술 연구소)는 어려운 해독 문제를 염두에두고 문제를 회피하는 양자 컴퓨팅에 대한 다른 접근법을 생각했습니다. Kitaev는 예외적으로 안정적인 큐 비트가 이론적으로 비 아벨 리안이라 불리는 가상 입자 쌍에서 형성 될 수 있음을 깨달았습니다. 이는 비 방사성이 아닌 한 쌍의 상태가 스핀이나 분극과 같은 연약한 특성이 아니라 토폴로지에 의해 결정되기 때문입니다. 그들의 경로가 공간과 시간을 통해 구두로 구불 구불 한 것으로 생각되면, 입자가 서로 회전하면 신발 끈이 매듭으로 묶여 있습니다. "아벨 리안이 아닌"은 회전의 순서가 중요하다는 것을 의미합니다. 예를 들어 Anyons A와 B 및 B 및 C를 교환하면 B와 C와 A와 B와 B와 B와 B를 바꾸는 것과는 다른 브레이드를 생성합니다.이 차이는 입자가 큐 비트 역할을 할 수있게되므로 상태는 서로 주변의 핵심에 의존하여 Quantum Algorithm의 단계를 암호화합니다. 그리고 결정적으로, 매듭 끈으로 묶은 떼를 만지지 않는 것처럼, 무작위 환경 섭동은 토폴로지 큐 비트의 머리띠를 풀지 않습니다. 비 방사자가 존재하지 않고 꼰 경우, 이론적으로 강력하고 확장 가능한 양자 컴퓨터의 빌딩 블록을 형성 할 수 있습니다.
Nayak은“일관성 시간은 실제로 마이크로 초과 달리 몇 주가 지나면 매우 길 수 있습니다.
Kitaev의 토폴로지 Quantum Computing 계획은 이미 존재하지 않은 사람으로 의심되는 입자가 이미 존재했기 때문에 큰 흥분을 일으켰습니다. 그것은 매사추세츠 기술 연구소 (Bob Willett)의 대학원생에 의해 10 년 전에 발견 된 애매한 실체였습니다. 윌렛은“처음부터 시작할 때 그런 것을 보려면 많은 운이 필요합니다.
MIT를 자주 방문한 Bell Labs의 응축 물리학자인 Willett의 멘토 인 Horst Störmer는 1982 년에 액체 나 고체와 같은 새로운 종류의 물질을 공동 발견했습니다. (이를 위해, 그는 1998 년 노벨 물리학상을 다니엘 츠이와 로버트 라 클린과 공유 할 것입니다.) Störmer와 그의 공동 작업자들은 2 차원의 결정 시트의 온도와 자화가 옳았고 결정이 너무 순수해서 전자가 서로를 감지 할 수 있었고, 전자는 개별 정체성을 흘리게하고 전자가 뭉개질 것임을 발견했습니다. 그리고이 무리에서, 새로운 파티 클라스런 단체가 나타날 것입니다. 전자 대신, 이들은 자기장의 잉여였으며, 각각 전자 전하는 전자의 일부 (예를 들어 세 번째)와 같습니다. 이론가들은 그들이 왜이 분수 혐의가 나타나는지 이해했다고 생각했다. 그러나 1986 년에 윌렛은 5/2 (“5 halves”) 상태라고 불리는 예를 발견했으며, 어떤 분획이 허용되는지에 대한 이론적 이해에 맞지 않았다.
.이론가들은 1990 년대에 5/2 국가의 입자가 아일랜드 인이었고 아마도 아벨리아 인이 아니라는 것을 깨달았으며, 이는 토폴로지 양자 컴퓨팅에 사용될 수 있다는 희망을 높였다. 2005 년, Nayak, Microsoft Research Station Q 감독 Michael Freedman과 Michael University의 Sankar Das Sarma는 5/2 주를 기반으로 토폴로지 큐 비트를 설계했습니다. 중요한 단순화가 곧 뒤따 랐습니다. 수십 년 동안 Bell Labs에서 분수 양자 상태를 계속 연구 한 Willett를 포함한 많은 실험가들 -
첫 번째 임무는 5/2 상태의 Anyons를“간섭 실험”에 적용하여 그들이 진정으로 아벨리아어인지 여부를 결정하는 것이 었습니다. 윌렛과 그의 동료들은 갈륨 아르 세나이드 크리스탈의 표면에 회로를 퇴적하고 냉각시키고 자화하여 5/2 상태를 유도 한 다음 회로를 통해 흐르는 전류의 피크와 트로프를 측정했습니다. Anyons가 회로를 가로 지르면 경로의 모든 포크에서 중첩으로 나누고 나중에 다시 만납니다. 두 개의 중첩이 동일하면 겹치는 파도처럼 방해하여 전류의 피크와 트로프를 생성합니다. 그들이 다르면 밤에 배가 배를 지나고 현재는 일정하게 유지됩니다. 그러므로 간섭 패턴의 존재 또는 부재는 그들의 국가에 의존하며, 이는 아벨리아 인이 아닌 사람들의 경우 다른 비 방해물 주변에서 꼰 방식에 의해 통제된다. Willett가 회로 내부의 챔버에 홀수의 모든 사람들을 트래핑하여 간섭 패턴을 죽일 수 있다면, 이로 인해 다른 방향으로 주위를 돌리고 다른 상태를 얻을 수 있습니다.
그 효과는 미묘하며 처음에는 5/2 상태에서도 발생하는 일반 "아벨 리안"Anyons의 다른 간섭 신호에 대해 거의 눈에 띄지 않았습니다. 그러나 수년에 걸쳐 윌렛은 회로 디자인을 개선하여 아벨 리안이 아닌 혐의를 더 많이 유발하고 그의 공동 작업자들은 갈륨 아르 세나이드 결정의 순도를 높였으며, 제어 가능한 간섭 신호가 더 깨끗해졌습니다. 그의 그룹의 가장 최근 결과는 2013 년 10 월 실제 검토 편지에 실 렸습니다.
Purdue University의 물리학 교수이자 윌렛에 샘플을 제공 한 Purdue University의 Gallium Arsenide 실험가 인 Mike Manfra는“총 실험을 보면 5/2 주가 비대의 흥분을지지한다고 강력히 제안합니다. "이러한 결과가 결정적이기 위해서는 독립적 인 실험실에서 재현해야한다는 것도 사실입니다."
.현재 덴마크 코펜하겐에있는 Niels Bohr Institute에서 Charles Marcus를 포함한 다른 연구자들은 Willett의 데이터를 재현하지 못했습니다. 마커스는“우리는 그가 보는 흔들림을 보지 못한다”고 말했다. "우리는 Bob이보고하는 데이터가 결국 모든 사람이 보게 될 것인지 또는‘아니요, 붉은 청어였습니다."
라고 말할 것인지 아직 모릅니다. "그러나 윌렛과 그의 동료들은 마커스의 기술이 잘못되었다고 의심합니다. 2009 년 프린스턴 대학교로 이사하고 윌렛과 계속 협력 한 오랜 벨 실험실 물리학자인 Gallium Arsenide의 세계 최고의 재배자 인 Loren Pfeiffer는 Marcus의 그룹이 비 방사자의 Anyons를 감지 할 것으로 기대하지 않을 것이라고 말했다. 두 그룹 모두 파이퍼의 갈륨 비 세나이드 결정을 사용하지만 다른 회로 제작 기술을 적용합니다. 그의 결정에있는 원자의 질서가“아름다운 정원”이라고 묘사 한 파이퍼는 마커스의 에칭 절차가 너무 거칠다 고 생각합니다.
마커스는 압박을 받았을 때 윌렛과 그의 협력자들의 발견이 궁극적으로 입증 될 것이라고 의심한다고 말했다. “5 힐 스테이트에 아벨리아 인이 아닌 사람이 있다고 생각합니까? 그렇습니다.”라고 그는 말했다. 어쨌든 그는이 문제는 한 번에 한 번에 정착 될 것이라고 덧붙였다.
토폴로지 큐 비트를 구축하는 것은 Willett와 그의 동료들이 이미 한 간섭 실험보다 약간 더 복잡합니다. "기본적으로 간섭계를 두 배로 늘려서 하나 대신 두 개의 챔버를 만듭니다."라고 그는 설명했습니다. 추가 단계는 챔버를 연결하기위한“공기 교량”으로, 한 쌍의 모든 사람들이 그들 사이에 나눌 수 있습니다. 이 모든 사람들은 중첩에 존재하며, 회로를 통해 그들 주위를 기어 다니는 모든 사람들의 전류에 의해 상태를 바꿀 수 있습니다. 윌렛은“그게 다야. “이것은 토폴로지 큐 비트의 요소를 형성합니다.”
Willett는 25 년 동안 Bell Labs의 끝없는 주요 복도를 따라 같은 실험실에서 일했습니다. 6 년 전, 실험실의 모회사 인 Alcatel-Lucent는 기본 연구 프로그램을 축소하기 시작했습니다. 파이퍼는 프린스턴으로 이사하여 완벽하게 교정 된“분자 빔 에피 택시”기계를 가져 갔다. 대부분의 다른 사람들도 떠났지만 윌렛은 남아있었습니다. 그는 AT &T Heydays를 회상하는 것을 좋아합니다. Bell Labs는 지난 세기 동안 기본 물리학에서 수많은 지구를 산산조각내는 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 획기적인 혁신적인 혁신적인 혁신적인 혁신적인 발상기, 레이저, 충전 커플 링 장치, UNIX 운영 체제, C 및 C ++ 프로그래밍 언어 및 정보 이론 자체의 발상지이기도합니다. 건물에서 연구를 위해 7 개의 노벨상이 수여되었습니다. 오늘날 윌렛은 자신의 실험실을 거의 자신에게 가지고 있습니다. 매일 매일 크리스털 캐비닛 사이를 오가는 것처럼, 25 살짜리 기계는 파이퍼의 갈륨 아르 세 나이드 웨이퍼와 웨이퍼를 식히는 액체 헬륨의 김이 나는 통로에 회로를 퇴적하는 데 사용하는 25 살짜리 기계를 사용하여 종실 실험실에 화려한 새로운 입구를 추가하는 데 더 가깝게 움직입니다.
"우리는 큐 비트를 깨달을 수있을 것"이라고 그는 말했다. “기본 물리학이 있습니다. 이제는 기술적 인 작업이 될 것이지만, 그 부분이 제자리에 떨어지고 있다고 생각합니다.”
.물론 예상치 못한 장애물이 발생할 수 있습니다. 또는 장기적으로, 양자 컴퓨팅에 대한 다른 접근법은 해독을 막는 데 능숙 해져서 토폴로지 접근법이 그 이점을 잃게 될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 Willett의 실험이 성공하면 Alcatel-Lucent와 다른 실험실 및 자금 조달 기관은 5/2 상태에 대한 연구를 확장하고 아마도 토폴로지 퀴즈 생산을 향상시킬 것입니다. Das Sarma는“즉시 100 명이 뛰어 들어 작업을 시작할 것으로 기대합니다.
Willett는 원거리 디자인을 확장하여 멀티 쿼트 어레이를 만드는 새로운 목표를 설정했습니다. 그는 궁극적으로 작동하는 토폴로지 양자 컴퓨터를 구축하기를 희망합니다. 그의 동기가 그러한 기술의 가능한 모든 사용에서 비롯된지 물었을 때, 그는 말할 수 없었습니다. 그러나 그것은 실제로 그런 것 같습니다. 윌렛은 앞서 나가는 것이 아니라 이전에 온 모든 것의 추진력에 의해 그의 길을 따라 운전하는 것처럼 보였다. "이 웨이퍼를 만드는 데 약 40 년의 노력이 있습니다."라고 그는 말했습니다. “이 건물에 모두 있습니다.”
