Jest rok 1938, słoneczny ranek w Palermo. Ettore Majorana wsiada na statek do Neapolu, lecz nigdy nie dociera do celu. Rok wcześniej geniusz z Włoch wprowadził nowy typ symetrii do świata fizyki, utożsamiając ze sobą cząstkę i antycząstkę – obiekty, które w normalnych warunkach stykając się znikają w błysku światła. Dzięki zaproponowaniu tych hipotetycznych cząstek na stałe zapisał się na kartach historii nauki i w hołdzie nazwano je jego imieniem. Naukowcy zajmujący się badaniem modelu standardowego fizyki od blisko 80 lat bezskutecznie poszukują fermionów Majorany. Stąd zrodził się wniosek następującej treści: jeśli natura sama w swej istocie nie chce dać nam klucza do rozwiązania tej zagadki, to pozostaje zmodyfikować naturę tak, by otrzymać rezultat, jakiego oczekujemy. Ostatecznie to my jesteśmy najinteligentniejszym bytem na tej planecie.

Poszukiwanie tego, co nieuchwytne, wymaga stworzenia nowego typu materii, który dotąd nie istniał. Teoretyczne rozważania naukowców z lat 70. ubiegłego wieku obrodziły nie tylko tegoroczną nagrodą Nobla, lecz również zrozumieniem i pierwszymi krokami w kierunku stworzenia nowych materiałów, które mogłyby pozwolić na wytworzenie majoran. Na początku tego tysiąclecia rosyjski uczony zostawił w niepozornym czasopiśmie pokonferencyjnym pomysł, który rozbudził wspólnotę naukową na nowo (Kitaev, 2001). Zaproponował on prosty model, w którym elektrony formujące morze cząstek zwanych parami Coopera, dzięki którym nadprzewodnik przewodzi bez oporu, wiążą się w nietypowy sposób, tworząc nadprzewodnik „topologiczny”. Topologiczność oznacza tutaj własność bardzo często interpretowaną jako różnica pomiędzy kulą a amerykańskimi pączkami z dziurką (donutami). Hipotetyczny pączek mógłby być wyginany i rozciągany na wiele sposobów, by stworzyć z niego kubek, lecz bez łatania otworu nigdy nie stanie się kulą. Tak samo aby kula przeistoczyła się w pączek, wymagałoby to jej dziurawienia. Oczywiście w świecie fizyki ciała stałego nie mamy do czynienia z kulami i pączkami, jednak fizyka ma to do siebie, że analogie i modele rzeczywistości pozwalają na stworzenie wielu wspaniałych rzeczy. Tutaj niemożliwość zamiany zachodzi między poziomami energetycznymi w materiale, określając sposób, w który elektron może z głębi materiału zostać wzbudzony, pochłaniając pewną energię, i zacząć przewodzić.

Fizyka nie jest jednak wyłącznie komputerem, ołówkiem i kartką, ponieważ wszystkie teoretyczne propozycje wymagają weryfikacji eksperymentalnej. Tak samo było z badanymi przeze mnie cząstkami, których pierwsze ślady zaobserwowała grupa z Delft w Holandii (Mourik et al., 2012). Wykorzystali oni wyniki prognozowane przez modele teoretyczne, dzięki którym wytworzyli urządzenie składające się z nadprzewodzącego podłoża oraz półprzewodnikowego drutu o grubości tysiąc razy cieńszej niż ludzki włos. Atomy, z których składał się drut, zostały dobrane pod kątem siły sprzężenia spin-orbita. Spin jest inherentną właściwością materii, taką jak ładunek czy masa (nie ma on nic wspólnego z obrotem wokół własnej osi). Spin cząstki tworzy pole magnetyczne, a oddziaływanie między spinem i orbitą można opisać jako poruszający się po orbitalach atomowych magnes. Po wielomiesięcznych przygotowaniach na końcach drutu badacze zaobserwowali zmiany w przewodnictwie, które mogły być tłumaczone tylko poprzez obecność kwazicząstek Majorany. Nie są one jednak zwykłymi cząstkami, które napotyka się w drodze do pracy czy przy obiedzie (w ciągu każdej sekundy czytania tego tekstu ok. 1015 neutrin wyemitowanych przez Słońce przenika przez czytelnika). Są one bardziej zjawiskiem wytworzonym przez kolektywne działanie wielu mniejszych czynników, które manifestują się w badanym materiale. Gdy któregoś z nich zabraknie, efekt znika niczym spadająca gwiazda.

Pozytywny wynik eksperymentu dowiódł, że wieloletnie poszukiwania nieuchwytnych majoran zbliżają się ku końcowi i zaowocowało to zmotywowaniem naukowców na całym świecie do poszukiwania i rozwijania technologii, w których mogłyby one znaleźć zastosowanie. W takich realiach fizycy puszczają wodze fantazji wymyślając rzeczy, które dla człowieka niebędącego na bieżąco z odkryciami naukowymi mogłyby się wydawać magią. Najważniejsze zastosowanie kwazicząstek Majorany proponowane przez badaczy na całym świecie, to topologiczne komputery kwantowe.

Śmiała koncepcja komputerów kwantowych

Konwencjonalne komputery rozwijają się zgodnie z prawem Moora, powiększając dwukrotnie liczbę tranzystorów co dwa lata. Tranzystory to swoiste zawory dla prądu, które pozwalają na określenie 1 lub 0 – dwuliterowego alfabetu komputerów. Niestety dla zwykłych komputerów (ale na szczęście dla rozwoju nauki) możliwości nowoczesnej technologii są na wyczerpaniu. Obecnie ogromne mikroskopy bombardując elektronami krzemowe płytki wypalają na nich ścieżki tworzące tranzystory. Nie można jednak stworzyć czegoś mniejszego niż długość fali elektronu. Następny rząd wielkości wymagałby na tyle małych rozmiarów, że trzeba by przekładać poszczególne atomy. A co potem?

Zamiast tego powstała śmiała koncepcja komputerów kwantowych, które obchodziłyby ten problem, ponieważ ich moc obliczeniowa wzrasta wykładniczo z liczbą obiektów pełniących rolę tranzystorów. Dzięki superpozycji (możliwości istnienia cząstki w dwóch różnych stanach jednocześnie, póki nie sprawdzimy dokładnie, co się z nią dzieje) rozwiązywanie skomplikowanych problemów za pomocą komputera kwantowego będzie znacznie łatwiejsze. Porównanie dzisiejszego komputera do komputera kwantowego można zobrazować poprzez labirynt. Zwykła maszyna rozwiązuje labirynt pokonując każdą trasę osobno do momentu, aż osiągnie ślepy zaułek, wtedy zaczyna od nowa, wybierając inną trasę. I tak aż do skutku. Komputer kwantowy, dzięki zjawisku superpozycji, rozwiązywałby labirynt idąc wszystkimi ścieżkami jednocześnie, co pozwoliłoby na znacznie szybszą ucieczkę z labiryntu. Jeśli 3 tranzystory pozwalałyby na 8 kubitów (kwantowych bitów, na których można wykonywać obliczenia), to już dla 108 tranzystorów byłoby więcej kombinacji niż gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie. Pozwala to na rozwiązywanie problemów, których nie może udźwignąć nawet najpotężniejszy superkomputer na naszej planecie, znajdujący się w Wuxi w Chinach.

Dzięki temu wynalazkowi rozwój sztucznej inteligencji, bezpieczeństwo kryptograficzne, przewidywanie pogody na miesiąc do przodu, sekwencjonowanie DNA, automatyczna weryfikacja wszystkich wiadomości w Internecie i wiele, wiele innych staną się faktem i codziennością. Niestety, droga do urzeczywistnienia komputerów kwantowych jest pełna przeszkód, ale na szczęście kluczowy problem dekoherencji powinien być rozwiązany dzięki wykorzystaniu kwazicząstek Majorany. Dekoherencja sprawia, że stan kwantowy kubitu z czasem ewoluuje, aż w pewnym momencie nie wiemy, co było w nim zapisane. Wykorzystanie majoran, będących wyjątkowym tworem, który nie zachowuje się tak jak inne typowe cząstki, pozwala na topologiczną ochronę informacji przechowywanej w kubitach. Tak jak nie da się przeistoczyć kubka w kulę, tak samo ich położenie, zamieniane podczas zapisywania informacji, nie może powrócić do swojego poprzedniego stanu.

Wymagamy prostoty

Dlatego też ja, młody naukowiec, zapragnąłem dołożyć choć jedną cegiełkę do budowy wielkiego muru. Jako aspirujący fizyk teoretyczny stoję na froncie rozważań dotyczących mechanizmów rządzących tymi egzotycznymi kwazicząstkami. Moje badania opierają się na testowaniu właściwości kwazicząstek Majorany w różnych układach oraz próbie wytwarzania ich w innych warunkach, które mogłyby być korzystniejsze z technologicznego punktu widzenia.

Idąc tym tropem, ja i moi współautorzy chcieliśmy sprawdzić, czy istnieją inne możliwości stworzenia majoran wewnątrz opisanego wcześniej drutu. Praca fizyka teoretycznego ma to do siebie, że trzeba zawsze szukać czegoś nowego, pomysłu, na który nikt nie wpadł, ale często na zasadzie analogii. Takiej właśnie analogii użyliśmy, wprowadzając drobną, lecz znaczącą zmianę. Większość cząstek modelu standardowego ma swój spin, więc pojawiło się pytanie, czy zamiast zewnętrznego pola magnetycznego lub sprzężenia spin-orbita działającego na układ wystarczy to, które jest wytwarzane przez poszczególne atomy?

Muszę tutaj zaznaczyć, że praca naukowa fizyka teoretycznego znacznie odbiega od romantycznej wizji powielanej przez media. Oczywiście wprowadzone zmiany trzeba było najpierw policzyć mózgiem, kartką i ołówkiem, ale patrząc na roboczogodziny, idealistyczne rozważanie nad naturą obliczeń to około 10% czasu pracy. Reszta to wojna prowadzona z komputerem, by nauczyć go tego, co ja już wiem, ale nie umiem policzyć tak szybko jak on. Obliczenia numeryczne są smutną koniecznością w życiu fizyka. Po uporaniu się z tym problemem obliczenia wykonywane są przez superkomputer. Poziom ich skomplikowania sprawia, że nawet na nowoczesnym laptopie liczyłyby się parę dni. Czekając na wynik, czuje się wręcz oddech naukowców z całego świata na swoich plecach. Postęp w tej dziedzinie sprawia, że rywalizacja stale rośnie.

Wyniki potwierdziły jednak stawianą tezę, pokazując przedziały wartości, w których zmieniane parametry zezwalały na istnienie kwazicząstek Majorany w badanym przypadku. Pozwala to na ich wytworzenie w układach, w których nie będzie wymagane zewnętrzne pole magnetyczne lub z innych materiałów niż dotychczas. To pierwsze ogranicza negatywny wpływ pola magnetycznego na inne części układu, których praca mogłaby być przez nie zaburzona, a to drugie pozwala na wykorzystanie innych, tańszych materiałów w masowej produkcji w przyszłości.

Kolejnemu projektowi przyświecał pomysł, by wykorzystać istniejące układy drutów i zaproponować na ich bazie urządzenie, które mogłoby wytwarzać majorany na żądanie, a nie – jak dotychczas – metodą prób i błędów. Punktem wyjścia było niedawne doświadczenie wykonane przez międzynarodowy zespół naukowców (Deng et al. 2016), a naszym celem było wytłumaczenie, dlaczego takie zmiany zachodzą oraz postawienie pierwszego kroku w stronę urządzeń wykorzystujących istnienie badanych cząstek. Bazując na naszych wynikach, dokonaliśmy dogłębnej analizy, odróżniając majorany od typowych stanów, które mogą się pojawić w nadprzewodnikach oraz jako pierwsi określiliśmy precyzyjnie pełen proces ewolucji stanów energetycznych wewnątrz drutu i w przyległych obszarach: od zwykłej materii po egzotyczne kwazicząstki Majorany. Zaproponowane urządzenie, łącząc dwa druty i kilka kontaktów elektrostatycznych, pozwalało na sterowanie napięciem w obszarze występowania poszukiwanych cząstek. Napięcie jako wielkość fizyczna jest łatwe w manipulacji w realistycznym układzie i właśnie takiej prostoty wytwarzania kwazicząstek Majorany wymagaliśmy od naszego układu. Wyniki numeryczne wyliczone naszym modelem pozwalają na dokładne określenie przedziału, w którym majorany nie tylko mogą się pojawiać i znikać, ale też przelewać się do innych obszarów, co pozwalałoby na wykonywanie obliczeń lub zapisywanie informacji w komputerach kwantowych. Ponadto urządzenie to mogłoby być również wykorzystywane do próbkowania obszarów, w których podejrzewa się istnienie majoran, by ostatecznie potwierdzić ich istnienie.

* * *

Praca badawcza ma swoje wzloty i upadki, ale te momenty, gdy wszystko wychodzi i jest się pierwszą osobą na świecie, która widzi uchylony rąbek niezwykłego świata mechaniki kwantowej, są bezcenne i zarazem uzależniające. Od pierwszego kontaktu z zagadkowością tego świata szukałem czegoś, co wyda mi się furtką do przyszłości, gdy więc natknąłem się na nietypowe własności kwazicząstek Majorany, zauważyłem ukryty w nich potencjał naukowy. Jak każdy młody naukowiec marzący na początku studiów o nagrodzie Nobla zderzyłem się z rzeczywistością i, nauczony pokory, jestem szczęśliwy, że mogę być członkiem społeczności, która posuwa naszą cywilizację do przodu, ku nowemu, lepszemu światu.