Problem z kubitami topologicznymi, do których należą kubity Majorany, polegał na ich wyjątkowej ochronie. Są one jak idealny sejf, ponieważ informacja jest w nich bezpieczna przed zakłóceniami, ale jednocześnie niemal niemożliwa do wyjęcia. Teraz ten sejf w końcu udało się otworzyć, nie niszcząc jego zawartości. Główną bolączką tradycyjnych kubitów jest ich niezwykła wrażliwość. Najmniejsze drganie czy zmiana temperatury mogą w ułamku sekundy zniszczyć delikatny stan kwantowy. Kubity topologiczne rozwiązują ten problem w genialny sposób. Zamiast lokować dane w jednym, łatwym do zaatakowania punkcie, rozpraszają je pomiędzy kilka specjalnych stanów zwanych modami Majorany. Ta „nielokalność” stanowi ich największą siłę.
Czytaj też: Kiedy fizyka spotyka patelnie. Takiej rewolucji byle naczynia w kuchni nikt się nie spodziewał
Kubity topologiczne są jak sejfy na informację kwantową. Zamiast przechowywać dane w konkretnej lokalizacji, rozdzielają je nielokalnie między parę specjalnych stanów, znanych jako mody Majorany zero – tłumaczy Ramón Aguado z Instytutu Nauk o Materiałach w Madrycie
Aby zniszczyć tak przechowywaną informację, zakłócenie musiałoby jednocześnie oddziaływać na cały, rozproszony system. To bardzo mało prawdopodobne. Niestety, ta sama cecha, która tak doskonale chroni dane, przez długi czas uniemożliwiała ich odczytanie. Jak zmierzyć coś, co nie znajduje się „gdzieś”, lecz jest rozmyte w całej strukturze?
Kwantowa pojemność, czyli nowa metoda odczytu
Rozwiązanie przyszło z połączenia sił hiszpańskich naukowców z CSIC i ich holenderskich kolegów z Uniwersytetu Technologicznego w Delft. Opracowali oni metodę zwaną pomiarem kwantowej pojemności. Technika ta działa jak globalna sonda, która jest wrażliwa na ogólny stan całego systemu, a nie na jego pojedyncze części. W praktyce badacze zbudowali minimalny łańcuch Kitaeva z dwóch kropek kwantowych, w którym wytworzyli dwa mody Majorany. Następnie, sprzęgając te mody, byli w stanie badać ich wspólną własność – parzystość.
Efekt był fascynujący. Pojawiło się charakterystyczne, losowe przełączanie między dwoma stanami, z których jeden odpowiadał parzystemu stanowi parzystości (pusty kubit), a drugi nieparzystemu (pełny kubit). Co kluczowe, równoczesne tradycyjne pomiary ładunku elektrycznego nie wykazywały między nimi żadnej różnicy – dla lokalnej sondy oba stany wyglądały tak samo.
Eksperyment elegancko potwierdza zasadę ochrony. Podczas gdy lokalne pomiary ładunku są ślepe na tę informację, globalna sonda wyraźnia ją ujawnia – dodaje Gorm Steffensen, współautor badania
To bezpośredni dowód, że informacja była rzeczywiście przechowywana w sposób nielokalny. Dopiero metoda „patrząca” na cały system jednocześnie pozwoliła ją dostrzec.
Milisekunda, która zmienia wszystko
Najbardziej obiecujący aspekt odkrycia nie był jednak sam fakt odczytu, lecz czas, przez jaki informacja się utrzymywała. Średni czas życia stanów parzystości wyniósł około 1,51 milisekundy. W kontekście życia codziennego to mgnienie oka, ale w świecie kwantowym to niemal wieczność. Większość konwencjonalnych kubitów traci spójność (a więc i informację) tysiące razy szybciej, w ciągu mikrosekund.
Czytaj też: Fizycy odkryli lewitujące kryształy czasu. Możesz wziąć je w ręce i wykorzystać na wiele sposobów
Taka stabilność jest absolutnie kluczowa. Pozwala ona myśleć o wykonaniu na kubicie serii operacji obliczeniowych, zanim informacja wyblaknie. To zasadnicza różnica między ciekawostką laboratoryjną a użytecznym komponentem przyszłego komputera. Badanie, które ukazało się w czasopiśmie Nature, łączy eksperymentalną precyzję zespołu z Delft z teoretycznymi ramami opracowanymi w Madrycie.