Kuantum hesaplamanın en ünlü çubuğunda tespit edilen sahtekar parçacıklar

Majorana kimdir? Şu an nerede olduğuna dair bir ipucu olan var mı?

Kurnaz polis soruşturma tugayları gibi, dünyanın yarısından bilimsel ekipler de bu soruları yanıtlamaya çalışıyor. Fizikteki gerçek “rock yıldızlarından” birini arıyoruz: kendi antiparçacığı olma erdemli niteliğine sahip egzotik bir parçacık. Adı: Majorana. Sofistike elektronik nanocihazlarda saklı yaşadığı tahmin ediliyor.

Tüm işaretler, ipi sıktığımızı ve yakında bunu yapacağımızı gösteriyor ki bu kuantum hesaplamada bir çığır açacaktır. Şimdilik, fiziğin en ünlü barı olan Majorana Bar’da kamufle edilmiş bir sahtekar bulduk.

Majorana barı ve sahtekar parçacıklar

Ünlü rock yıldızını bilimsel arayışımızda bir parçacık çubuğuna girdik ve sahnede gördüğümüze inanamadık: ünlü Majorana şarkısını mükemmel bir şekilde söyleyen, en ikonik elbisesini giyen ve eşsiz bir gösteri sunan bir parçacık. Sonunda putlaştırdığımız sanatçımızı bulduk!

Bir dakika, garip bir şeyler oluyor. Şarkının yarısında ve arka kapı açılır açılmaz, şarkıcı dahil tüm parçacıklar barı terk eder. O gerçekten göründüğü gibi mi?

Pek sayılmaz, seni kahrolası sahtekar! Majorana gibi gerçek bir rock yıldızı, seyirciler konserin yarısında ayrılmaya başlasa bile sahneyi asla terk etmez.

Çubuk metaforunda olduğu gibi, gerçek bir Majorana parçacığı “sahneyi” asla terk etmez ve geleneksel elektronların devre boyunca tünel açmasına izin veren koşullar olsa bile her zaman nanocihaza bağlı kalır.

Bu sabitleme, hatalara karşı çok sağlam olacak yeni majorana tabanlı kuantum bitlerinin üretiminin tasarımında kilit bir kavram olan topolojik koruma adı verilen derin bir matematiksel ilke sayesinde gerçekleşir.

Majorana parçacığına hayat veren denklem

“Pek çok bilim adamı kategorisi var: Ellerinden geleni yapan ama çok uzağa gitmeyen ikinci ve üçüncü sınıf insanlar; bilimin gelişmesi için temel olan büyük keşifler yapan birinci sınıf insanlar da var. Ama bir de Galileo ve Newton gibi dahiler var. Eh, Ettore onlardan biriydi”. Nobel Fizik Ödülü sahibi Enrico Fermi, Roma’daki araştırma grubunun en parlak vaatlerinden biri olan, halk arasında “I ragazzi di Via Panisperna” olarak bilinen genç araştırmacılar Ettore Majorana’ya duyduğu büyük hayranlığı bu sözlerle dile getirdi.

Bu kibirli görüşe, Ettore Majorana’nın kendisi ve pek çok kez yayımlanmaya değer olmayan bayağı ve sıradan bulduğu eseri hakkında sahip olduğu alçakgönüllü görüşün karşıtlığını koymalıyız. Kendisini en ünlü yapan eseri yayınlaması için onu cesaretlendiren Fermi’nin kendisiydi ve el yazısıyla yazılmış notları temizleyip dergiye gönderenin de Fermi olduğu tahmin ediliyor. O makale, Einstein’ın özel göreliliğini kuantum teorisiyle birleştiren ünlü Dirac denkleminin yeni bir çözümüydü.

Ettore’nin formülü, parçacıkların kendi antiparçacıklarına eşit olma olasılığını gösterir. Makalesinde, nötrinonun, madde ve antimaddenin bir araya geldiği bu egzotik çözümlerden biri tarafından tanımlanabileceğini öne sürdü.

Doğada Majorana parçacıklarının varlığına dair kesin bir kanıt hala yok, ancak doğrudan gözlemlenmeleri, kozmoloji veya nükleer fizik gibi çeşitli fizik alanları üzerinde derin bir etkiye sahip olacaktır.

Son yıllarda, Majorana parçacıkları bir kez daha güncel hale geldi, ancak bu sefer topolojik süper iletken adı verilen yeni bir malzeme türüne dayanan gelişmiş nanocihazlarda gizlendi.

Ettore Majorana’nın edebiyatta, müzikte ve sinemada yok oluşu

Makalenin yayınlanmasından birkaç ay sonra, 27 Mart 1938’de Ettore Majorana, gece teknesiyle Palermo’ya gitti ve iz bırakmadan ortadan kayboldu.

Majorana’nın denkleminin muazzam etkisine tanık olup olmadığı tartışmalı bir soru çünkü birkaç yıllık araştırmaya rağmen, ona gerçekte ne olduğuna dair hala spekülasyonlar var.

Genç dehanın gizemli bir şekilde ortadan kaybolması edebi eserlere ilham verdi (Majorana’nın ortadan kaybolmasıLeonardo Sciascia tarafından; Majorana hakkında, Javier Argüello tarafından); filmler (Ben Ragazzi di via PanispernaGianni Amelio tarafından) ve şarkı sözleri: “Radikal düşünceyi, Sokrates’in kendisine dayattığı çok bilinçli ölümü ve Majorana’nın gizemli ve benzersiz kayboluşunu seviyorum…” Franco Battiato, Mezopotamya adlı şarkısında seslendirdi.

Süper iletkenlerde Majorana parçacıklarının pişirilmesi

Topolojik süperiletkenliğin doğal olarak var olmasının neredeyse imkansız olduğunu bilmemize rağmen, onu yapay olarak nasıl üreteceğimize dair birkaç fikrimiz var.

“Sıkıcı” malzemelerden son derece yenilikçi ve lezzetli yemekler pişirebildiğimiz gibi, şu anda farklı malzemelerin doğru karışımının bir Michelin yıldızına layık bir yemek ortaya çıkarabildiği birkaç tarif biliyoruz: gerçekten de teorik hesaplamalar şunu öngörüyor: bir yarı iletken malzemenin başka bir süper iletken ile uygun bir kombinasyonu, tamamı harici bir manyetik alanla tatlandırılmış, topolojik süper iletkenlik ve ana maddeler üretir.

Bu, bir kuantum materyalinde, farklı etkileşimlerin ve davranışların karışımının, bütünün parçalarının toplamından çok daha fazla olduğu ortaya çıkan fenomenlere yol açtığı birçok örnekten biridir: “Daha fazlası farklıdır”, 1977’de Nobel Fizik Ödülü sahibi Philip Anderson’ın ünlü makalesinde dediği gibi.

Daha sağlam kuantum hesaplamada yeni bir paradigma

Materyalleri birleştirerek topolojik süperiletkenlerin nasıl üretileceğine dair ilk teorik tarifler, on yıldan biraz daha uzun bir süre önce yayınlandı ve hemen deneysel gösterilerine doğru çılgın bir telaş yarattı.

Nedeni? Teori, tamamen bilimsel ilgisinin yanı sıra, büyük ölçüde uzamsal olarak yer değiştirmiş durumlara dayalı kuantum bitleri oluşturmak için majoranas kullanmanın mümkün olduğunu öngörüyor.

Çok güçlü bir görsel imge, bir kişinin ikiye bölünmüş gibi göründüğü sihir numaralarında olduğu gibi, keyfi olarak birbirinden uzak iki yarıya, majoranalara bölünen bir elektronu hayal etmektir…

Ama bu gerçekten bir sihir numarası mı? Hayır, fiziksel.

Çubuğa geri dönelim: Dolu bir bira kutusu ile boş bir bira kutusu (parçacık-antiparçacık) arasında bir “kuantum süperpozisyonu” hayal edin. Herhangi bir enerji maliyeti olmaksızın, topolojik süperiletken, bu miktarda biranın (elektron), her biri barın bir ucunda, birbirlerinden çok uzak olsalar bile artık yarısı dolu olan iki bardak arasında aynı olasılıkla paylaşılmasını sağlar.

Elektronun bu yer değiştirmesi, kuantum bitini her türden yerel bozulmaya karşı son derece sağlam kılar, çünkü o yalnızca her iki yarıyı aynı anda etkileyen bozulmalara karşı hassastır (kimse barın bir ucundaki yarısı dolu bardaklardan yalnızca birini içemez, topolojik olarak korunmaktadır!).

İşleri daha da ilginç hale getirmek için, iki yarıyı Temel Parçacıkların Standart Modelindeki fermiyonları ve bozonları yöneten kuantum istatistiklerinde eşi olmayan kurallarla değiştirebiliriz.

Bu yeni değişim kuralları, dolaşık durumlar oluşturmaya ve kuantum hesaplamada mantık kapılarında kullanılmaya hizmet eder. Uzun bir bar tezgahında yarı dolu bira bardaklarını değiş tokuş etmenin bu kadar potansiyel olarak yıkıcı bir teknolojiye yol açabileceğini kim düşünebilirdi?

sahtekarların tespiti

Şu an için majoranaların tespiti için yarış henüz bitmedi. Çılgınca zor olmasının yanı sıra, topolojik süperiletkenlik tarifimiz yanlış pozitifler üretiyor. Kurnaz sahtekarlar kılığında göründükleri için bu yanlış pozitifleri deneysel olarak ayırt etmek çok zordur: Majorana şarkısını “söylüyorlar”, Majorana gibi giyiniyorlar ve Majorana gibi davranıyorlar ama Majorana değiller. Teknik terimlerle, bu sözde Majoranalar veya yarı-Majoranlar, özgünlük için her türlü titiz deneysel protokolden geçer, bu nedenle Majoranaların tespiti, bilim topluluğumuzda yoğun tartışma konusu olmaya devam ediyor.

Dergide yayınlanan son çalışmamızda Doğa bu titiz protokollerden ikisini birleştirirken bile yanıtın hala yanlış bir pozitif olduğunu gösteriyoruz. Yayın, Madrid Malzeme Bilimi Enstitüsü (ICMM-CSIC), Katalan Nanobilim ve Nanoteknoloji Enstitüsü (ICN2-CSIC-GENCAT), Princeton Üniversitesi ve Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden bilim adamları arasındaki ortak çabanın sonucudur. Avusturya (ISTA).

Kötü haber? Evet ve hayır. İyi haber şu ki, teorik hesaplamalarımız bize sahtekarların ortaya çıktığı koşullar hakkında çok iyi bir anlayış sağlıyor (denklemler yalan söylemez!), bu nedenle deneyleri ve protokolleri iyileştirmeye devam ediyoruz.

Önümüzdeki birkaç yıl kesinlikle heyecan verici olacak, hadi Majorana’nın şarkısını dikkatle dinlemeye devam edelim!