Таинственные античастицы

Новая форма материи сделает компьютеры быстрее

Принято считать, что материя никуда не исчезает, зато она может переходить из одного состояния в другое. Недавно команда физиков Нью-Йоркского университета открыла такое состояние материи, при котором происходит настоящий прорыв в работе электронных устройств – намного возрастают скорость вычислений и возможности для хранения информации.

Основные проблемы современных компьютерных устройств связаны, во-первых, с недостаточной скоростью обработки массивов данных, во-вторых, со сбоями и ошибками, возникающими порой при работе. Редкое устройство обходится без «глюков», и мечта всех пользователей – чтобы компьютер или смартфон работал как можно быстрее и не «подвисал». Эту задачу успешно решают квантовые процессоры. Слово «квант» произошло от латинского quantum – «сколько». Термин был введен Максом Планком в 1900 году, что породило принципиально новую физическую концепцию, называемую квантовой физикой.

Квантом называют неделимую часть какой-либо физической величины. Например, это могут быть определенные порции энергии, моменты количества движения или его проекции. При этом кванты могут иметь «специальные» названия в зависимости от своего происхождения. Так, квант электромагнитного поля называется фотоном, квант колебательного движения кристалла – фононом, гипотетический квант гравитационного поля – гравитоном. Гипотетический квант времени – хрононом. Сегодня существуют такие области науки, как квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика. Употребляется также термин «квантование», означающий построение квантовой теории некоей системы или переход от ее классического описания к квантовому, либо ситуацию, в которой физическая величина способна принимать только дискретные значения, как энергия электрона в атоме.

В 1980 году Юрием Маниным впервые была высказана идея квантовых вычислений. А уже в следующем году Ричард Фейнман предложил первую модель квантового компьютера – вычислительного устройства, использующего явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Теоретические основы построения такого компьютера были вскоре описаны Полом Бениоффом.

При использовании метода квантовых вычислений информация обрабатывается гораздо быстрее, чем на обычных устройствах, за счет того что такие процессоры оперируют так называемыми кубитами. Обычные процессоры имеют дело с битами: продвинутые пользователи знают, что вся информация в компьютерах зашифрована в бинарном (двоичном) коде, состоящем из нулей и единиц. А вот кубиты позволяют манипулировать любыми числами от 0 до 1, скажем, десятыми или сотыми долями. Квантовые методы необходимы, если мы имеем дело со сложными многочастотными системами, которые трудно исследовать с помощью классических методов, например биологическими.

Конечно, вычисления с помощью квантовых алгоритмов происходят быстрее, чем по стандартной методике. Однако есть серьезная проблема: для хранения квантовых частиц требуется особый материал с защитными свойствами.

Но американские ученые обнаружили, что при квантовых процессах частицы способны переходить в иное топологическое состояние. То есть принимать другую геометрическую форму. Как это происходит, скажем, со сложенным пополам листком бумаги.

Итак, квантовые частицы в процессе трансформации превращаются в майораны Фермиона, названные в честь итальянского физика-теоретика Этторе Майорана. Это один из самых загадочных ученых прошлого века. Этторе появился на свет в 1906 году в городе Катания на Сицилии. В четыре года у него обнаружились феноменальные математические способности: малыш мог решать сложнейшие задачи, причем превосходил в этом многих взрослых математиков. Родители отправили вундеркинда в иезуитскую школу в Риме. Окончив ее, он поступил в лицей, а в семнадцать лет – в Римский университет, после которого оказался на кафедре теоретической физики, возглавляемой знаменитым Энрико Ферми. Майорана уже в молодые годы называли гением математики и физики. Ферми считал его лучшим из своих учеников и возлагал на него большие надежды. За время работы на кафедре теоретической физики Майорана предложил немало научных идей, предвосхитивших важные открытия. Одной из них была гипотеза о природе сил, удерживающих атомное ядро. Кроме того, исследователь создал теоретическую модель нейтрино, изобрел математические объекты (спиноры Майорана), которые в конце ХХ века легли в основу теории супергравитации, и, наконец, первым заговорил о возможности существования нейтрона.

Казалось, Этторе ждет блестящая научная карьера. Возможно, он мог бы стать таким же знаменитым, как автор теории относительности Альберт Эйнштейн. Однако блестящего ученого ждало совсем иное будущее. В один прекрасный день он просто исчез, и о его судьбе до сих пор ничего толком не известно.

Итальянский писатель Леонардо Шаша в своей книге «Исчезновение Майорана» выдвигает гипотезу о том, что ученый бежал из Италии, не желая участвовать в разработках атомного оружия, которое считал гибельным для человечества. Вспомним также, что это были годы режима Муссолини… Что ж, вполне правдоподобно. Между тем идеи Майорана популярны до сих пор.

В 1937 году Майорана описал частицы, которые являются античастицами по отношению к самим себе, так как обладают одинаковой массой, но противоположными зарядами. Им дали название «майораны» в честь самого автора гипотезы. По мнению участников нью-йоркского исследования, майораны как раз и могут служить потенциальным хранилищем для кубитов, создавая специальное вычислительное пространство, где информация будет защищена от шума окружающей среды.

Исследователи смогли измерить энергетический барьер между этими состояниями и сигнатурные характеристики, сопровождающие этот переход.

«Нам удалось выявить экспериментальные доказательства нового состояния вещества – топологической сверхпроводимости, – прокомментировал один из авторов проекта, доцент кафедры физики в Нью-Йоркском университете Джавад Шабани. – Этим новым топологическим состоянием можно манипулировать способами, которые помогут ускорить вычислительные процессы в квантовых вычислениях и увеличить объем памяти».
Все это приведет к ускорению процессов обработки информации, большей емкости ее хранения, а также к уменьшению погрешностей в вычислениях, считают Шабани и его коллеги. И сделает наши компьютеры более совершенными.

Ирина ШЛИОНСКАЯ