1176 Majorana Fermion y la decoherencia de los enredos cuánticos

¿Y si una computadora tuviera una velocidad de cálculo exponencial y una precisión perfecta?

El profesor Duncan Haldane intentó una vez responder a esta pregunta. En el otoño de 2016, este físico y dos de sus amigos ganaron el Premio Nobel de Física por “descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia”.

En pocas palabras, a través de varios experimentos rigurosos, encontraron que incluso la materia microscópica más pequeña podía exhibir propiedades macroscópicas y tener una fase topológica.

Para comprender lo que esto significaba, era necesario comprender la topología.

Todos sabían que los matemáticos veían los problemas desde una perspectiva diferente. A menudo veían las cosas por su esencia. La topología era una disciplina que estudiaba las formas geométricas y los espacios que permanecían inalterados a través de transformaciones.

Uno de los ejemplos de topología más clásicos fue que una taza de café y una rosquilla eran topológicamente iguales, porque al igual que una rosquilla, la taza de café tenía un agujero en el asa.

Debido a que ambos tenían un agujero, uno podría convertir una dona en una taza de café a través de un proceso de deformación suave y viceversa … Aunque esto puede parecer incomprensible para la mayoría de las personas, o incluso inexplicable, pero de hecho, este método de transformación matemática contribuyó a muchos descubrimientos interesantes en otros campos.

Esto fue especialmente cierto en el campo de la física y los materiales, muchos descubrimientos sorprendentes en la década de 1980 se derivaron de métodos topológicos, que proporcionaron una base teórica.

Durante mucho tiempo, la gente estuvo acostumbrada a aplicar topología para resolver problemas a macroescala. Todavía no estaba confirmado si la topología podría usarse para partículas subatómicas como electrones y fotones.

Debido a que estas diminutas partículas se vieron afectadas por las leyes peculiares de la física cuántica, sus tamaños, posiciones e incluso formas estaban constantemente en un estado incierto.

Sin embargo, el Premio Nobel de Física de 2016 dio una respuesta definitiva a esta pregunta.

¡Qué era que estas partículas subatómicas en el mundo microscópico tenían características topológicas!

Obviamente, esta teoría no tuvo ningún impacto en la vida cotidiana de las personas, ¡pero abrió un nuevo mundo para el campo de la ingeniería electrónica!

A través del maravilloso mundo cuántico, estos materiales mostraron una estabilidad asombrosa y propiedades notables en una fase de materia especial. El ejemplo más típico fueron los aislantes topológicos.

Esta característica se encontró en los materiales de grafeno, lo que llevó directamente al nacimiento de los chips a base de carbono del material superconductor SG-1.

Por otro lado, esta propiedad también promovió la investigación en computación cuántica.

Una computadora cuántica utilizó el principio de que las partículas subatómicas podrían estar en diferentes estados al mismo tiempo y podrían almacenar información en algo llamado bit cuántico (qubit). Debido a esta característica, las computadoras cuánticas podrían resolver problemas exponencialmente más rápido que las computadoras tradicionales.

Sin embargo, el problema era que las partículas subatómicas que almacenaban los datos eran frágiles e inestables. Incluso una pequeña alteración podría cambiar su estado.

Eso era exactamente lo que era la «decoherencia». En un entorno de mecánica cuántica, cualquier perturbación podría cambiar o incluso colapsar el estado del qubit entrelazado.

Una de las formas de resolver este problema era utilizar tecnología de reducción de ruido o antiinterferencias, o ambas. Independientemente de la ruta técnica que se adoptara, tenían que encontrar una forma de estabilizar las partículas subatómicas.

Este fue uno de los principales problemas en la investigación y el desarrollo de la computadora cuántica.

También era algo que Lu Zhou estaba investigando …

Instituto Jinling de Estudios Avanzados, laboratorio subterráneo de tercer nivel.

La sala vacía que se utilizaba como sala de almacenamiento de muestras de repuesto ahora se estaba llenando con equipos recién comprados.

Estos incluían máquinas multifuncionales de medición de propiedades físicas, medidores de paso, magnetómetros de muestra vibrantes, probadores de magnetorresistencia de alta y baja temperatura y liofilizador in situ. Aunque no se trataba de un equipo completo, tenía todos los elementos esenciales.

Además, además de estos pocos equipos esenciales para la investigación de materiales de carbono, también tenía una impresora 3D de curado UV con una precisión de 8 micrones. Esto se utilizó principalmente para imprimir los moldes de plástico utilizados en experimentos.

Se colocó cuidadosamente una película delgada del tamaño de un pulgar en la máquina de deposición atómica de pulverización catódica con magnetrón. Lu Zhou usó cuidadosamente los datos del experimento para establecer nuevos parámetros experimentales en la computadora.

Después de terminar todo esto, finalmente dio un suspiro de alivio y presionó el botón Enter en el teclado.

Se encendió una luz de señal verde. Una máquina dentro del laboratorio comenzó a funcionar.

Lu Zhou llevó su taza de café y se sentó en su silla. Miró su reloj y se preguntó qué podía hacer para matar el tiempo. De repente, el dron de Xiao Ai voló desde un lado.

Xiao Ai: (¡Maestro, Maestro! ¡Acaba de pasar algo increíble! (≧ ω ≦ *))

Lu Zhou miró la pequeña pantalla que flotaba en el aire y preguntó: «¿Subiste de nivel?»

Xiao Ai: (¿Qué? ¿Lo sabías? (° △ ° |||))

Lu Zhou: «…»

¿Esta cosa realmente subió de nivel … o bajó de nivel?

Lu Zhou suspiró e ignoró el retraso artificial. Cerró los ojos y entró en el espacio del sistema.

La acumulación de puntos de experiencia de inteligencia artificial se sincronizó con los puntos de experiencia de ciencia de la información. Tan pronto como el nivel de Xiao Ai subió al nivel 4, su nivel de ciencia de la información pasó del nivel 4 al nivel 5.

Incluso si no estaba en el espacio del sistema, aún podía ver la notificación de su actualización.

(…)

(G. Ciencias de la información: nivel 5 (0 / 300.000))

Después de que Lu Zhou miró su panel característico, se frotó la barbilla.

Tal como había especulado, podría ganar puntos de experiencia en inteligencia artificial al permitir que Xiao Ai observe el comportamiento de los humanos en el mundo de la realidad virtual. De hecho, parecía que la inteligencia artificial dependía del conocimiento sociológico.

Sin embargo, Lu Zhou no prestó demasiada atención al progreso de Xiao Ai. Después de comprobar su panel característico en el espacio del sistema, volvió al mundo real.

Abrió los ojos y se quedó mirando el dron que flotaba frente a él.

Xiao Ai: (Maestro, Maestro, ¿no alabarás a Xiao Ai? (* / Ω *))

Lu Zhou: «Sí, muy bien hecho».

Xiao Ai: (¡Gracias!)

Lu Zhou fingió no ver el texto en la pantalla. Miró su reloj mientras hablaba.

«… Creo que es casi la hora».

La luz de la máquina cercana pasó de verde a rojo.

Lu Zhou inmediatamente dijo: «Xiao Ai, enciende el liofilizador in situ».

Xiao Ai: (Está bien… (○ `3 ′ ○))

A pesar de que Xiao Ai parecía reacio, todavía siguió obedientemente las órdenes de Lu Zhou.

Lu Zhou sintió que su pequeño amigo se estaba volviendo cada vez más sensible … ¿Casi como si se estuviera volviendo cada vez más humano?

Lu Zhou no estaba seguro de si esto era algo bueno.

Después de todo, la forma en que la inteligencia artificial procesa la información y la forma en que el cerebro humano procesa la información eran completamente diferentes. Uno usó la lógica para determinar las emociones, mientras que el otro usó las emociones para impulsar la lógica.

¿Quizás la inteligencia artificial sea una nueva especie?

Es demasiado pronto para llegar a una conclusión.

Como «guardián» de Xiao Ai, Lu Zhou era responsable de monitorear el crecimiento de Xiao Ai.

Pero hasta ahora, parecía que el pequeño todavía era bastante obediente. Xiao Ai estaba desempeñando el papel de asistente, tanto para la vida de Lu Zhou como para su investigación científica. Xiao Ai siempre obedeció sus órdenes sin comprometerse.

¿Quizás me estoy preocupando demasiado?

Con la ayuda de Xiao Ai, Lu Zhou transfirió la muestra de chip a base de carbón liofilizado de la máquina de deposición atómica de pulverización catódica con magnetrón al liofilizador in situ. Luego utilizó un microscopio metalúrgico para analizar cuidadosamente la película antes de registrar los resultados del experimento.

Tenía más de 30.000 puntos generales. Según el sistema, necesitaba 120.000 puntos generales para obtener un conjunto completo de planos para la tecnología de computación cuántica.

De hecho, este número estaba inflado.

Si dividiera los problemas y resolviera parte de la tecnología, ¡podría reducir el costo de los puntos generales en más del 80%!

Hasta ahora, había gastado 20.000 puntos generales para superar varios cuellos de botella clave en la investigación. Utilizó su conocimiento de los materiales de carbono, los aislantes Mott y los fermiones de Majorana para resolver algunos de los problemas fundamentales.

Por ejemplo, colocó en capas un aislante topológico de fermiones Majorana con un superconductor de ancho de un solo átomo. Esto no afectó la estabilidad de los fermiones de Majorana.

Mediante el uso de un material de fase topológica especial, los átomos subatómicos podrían protegerse de las interferencias.

Básicamente, los qubits formados no se corromperían debido a una pequeña interferencia local. Era mucho más estable que los qubits generales, lo que permitía a las computadoras cuánticas calcular las respuestas que uno quería de una manera más precisa y eficiente.

Esto le ahorró a Lu Zhou al menos 100.000 puntos generales.

Por lo tanto, podría usar sus puntos generales en problemas más difíciles.

Esta fue una de las razones por las que “el conocimiento es poder”.

Después de completar cuidadosamente el último paso del experimento, Lu Zhou colocó una capa de una hoja de grafeno translúcido en el molde del circuito que preparó de antemano.

Tenía una sonrisa sincera en su rostro, como si estuviera mirando una obra de arte.

“Todas las pruebas de rendimiento cumplen con nuestras expectativas.

«¡Esto es perfecto!

«Como era de esperar, ¡el fermión de Majorana es la mejor opción para la computación cuántica!»

Todo lo que quedaba por hacer era probar si los 20.000 puntos generales que gastó valían la pena.

Cuando Lu Zhou estaba a punto de presionar el botón de encendido, su corazón casi latía fuera de su pecho.

En el segundo en que presionó el botón, el chip de computadora similar a una película comenzó a ejecutar el guión predeterminado. La señal fue procesada por el circuito lógico y luego transmitida a la pantalla. Pronto, se presentó una línea de caracteres en la pantalla.

(Hola Mundo.)

Cuando Lu Zhou vio a los personajes en la pantalla, apretó los puños y casi saltó de su silla.

«¡Si!»

Lu Zhou se sorprendió por su propia reacción. Rápidamente comenzó a verificar las condiciones de funcionamiento de la máquina.

Después de que vio el chip de computadora «similar a una película» operando de manera estable y permaneciendo impermeable al colapso del entrelazamiento de qubit, Lu Zhou finalmente tenía una sonrisa segura en su rostro.

Parece que esta vez …

¡Lo hicimos!

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