Fysikere skaber undvigende partikler, der husker deres fortid

For XNUMX år siden overvejede Frank Wilczek en bizar type partikel, der kun kunne leve i et fladt univers. Hvis han havde sat pen på papir og foretaget beregningerne, ville Wilczek have fundet ud af, at disse dengang teoretiske partikler rummede en overjordisk hukommelse om deres fortid, en vævet for grundigt ind i virkelighedens struktur til, at nogen forstyrrelse kunne slette den.

Men uden at se nogen grund til, at naturen skulle tillade sådanne mærkelige dyr at eksistere, valgte den fremtidige nobelprisvindende fysiker ikke at følge sine tankeeksperimenter til deres mest besynderlige konklusioner - på trods af indvendinger fra hans samarbejdspartner Anthony Zee, en kendt teoretisk fysiker ved University of California, Santa Barbara.

"Jeg sagde, 'Kom nu, Tony, folk vil gøre grin med os'," sagde Wilczek, nu professor ved Massachusetts Institute of Technology.

Andre var ikke så tilbageholdende. Forskere har brugt millioner af dollars i løbet af de sidste tre årtier eller deromkring på at forsøge at fange og tæmme de partikellignende objekter, som går under den kryptiske betegnelse for ikke-abelske nogen.

Nu er to skelsættende eksperimenter endelig lykkedes, og ingen griner. "Dette har været et mål, og nu er det ramt," sagde Wilczek.

Fysikere, der arbejder med virksomheden Quantinuum meddelte i dag at de havde brugt virksomhedens nyligt afslørede, næste generation af H2-processor til syntetisere og manipulere ikke-abelske nogen i en ny fase af kvantestof. Deres arbejde følger et fortryk udsendt sidste efterår, hvor forskere sammen med Google fejrede den første klare sammenfletning af ikke-abelske objekter, et bevis på, at information kan lagres og manipuleres i deres fælles hukommelse. Sammen spænder eksperimenterne den voksende muskel af kvanteenheder, mens de giver et potentielt indblik i fremtidens computer: Ved at opretholde næsten uforgængelige registreringer af deres rejser gennem rum og tid, kunne ikke-abelske nogen tilbyde den mest lovende platform til at bygge fejltolerante kvantecomputere.

"Som ren videnskab er det bare, wow," sagde Ady Stern, en kondenseret stof-teoretiker ved Weizmann Institute of Science i Israel, som har brugt sin karriere på at studere genstandene. "Dette bringer dig tættere på topologisk kvanteberegning. Men hvis der er noget, de sidste par årtier har vist os, så er det en lang og snoet vej.”

Flatland Computing

I 1982 hjalp Wilczek med at åbne fysikeres sind for menageriet af partikler, der kunne eksistere i to dimensioner. Han udarbejdede konsekvenserne af at begrænse kvantelove til et hypotetisk, helt fladt univers og fandt ud af, at det ville indeholde mærkelige partikler med fraktioneret spin og ladninger. Desuden kunne udskiftning af ellers ikke-adskillelige partikler ændre dem på måder, der var umulige for deres tredimensionelle modstykker. Wilczek frækt navngivet disse todimensionelle partikler anyons, da de så ud til at være i stand til næsten alt.

Wilczek fokuserede på de enkleste "abelske" anyoner, partikler, der, når de byttes om, ændrer sig på subtile måder, som ikke er direkte detekterbare.

Han stoppede for at udforske den vildere mulighed - ikke-abelske anyons, partikler, der deler en hukommelse. At bytte positionerne af to ikke-abelske anyoner giver en direkte observerbar effekt. Det skifter tilstanden af ​​deres delte bølgefunktion, en størrelse, der beskriver et systems kvantenatur. Hvis du støder på to identiske ikke-abelske nogen, ved at måle hvilken tilstand de er i, kan du se, om de altid har været i disse positioner, eller om de har krydset veje - en kraft ingen anden partikel kan gøre krav på.

For Wilczek virkede den forestilling for fantastisk til at udvikle sig til en formel teori. "Hvilke slags materietilstande understøtter disse?" han huskede at tænke.

Men i 1991, to fysikere identificerede disse stater. De forudsagde, at, når de blev udsat for stærke nok magnetiske felter og kolde nok temperaturer, ville elektroner, der sidder fast på en overflade, hvirvle sammen på den helt rigtige måde for at danne ikke-abelske anyoner. Anyonerne ville ikke være fundamentale partikler - vores 3D-verden forbyder det - men "kvasipartikler." Disse er samlinger af partikler, men de opfattes bedst som individuelle enheder. Kvasipartikler har præcise placeringer og adfærd, ligesom samlinger af vandmolekyler producerer bølger og hvirvler.

I 1997, Alexei Kitaev, en teoretiker ved California Institute of Technology, påpegede at sådanne kvasipartikler kunne lægge det perfekte grundlag for kvantecomputere. Fysikere har længe spekuleret over muligheden for at udnytte kvanteverdenen til at udføre beregninger uden for rækkevidde af typiske computere og deres binære bits. Men qubits, de atomlignende byggesten i kvantecomputere, er skrøbelige. Deres bølgefunktioner kollapser ved den letteste berøring og sletter deres minder og deres evne til at udføre kvanteberegninger. Denne spinkelhed har komplicerede ambitioner om at kontrollere qubits længe nok til, at de kan afslutte lange beregninger.

Kitaev indså, at den fælles hukommelse af ikke-abelske nogen kunne tjene som en ideel qubit. Til at begynde med var den formbar. Du kan ændre tilstanden af ​​qubit'en - vende et nul til en en - ved at udveksle positionerne for anyonerne på en måde kendt som "fletning".

Du kan også udlæse qubit-tilstanden. Når de enkleste ikke-abelske anyoner bringes sammen og "smeltes", for eksempel, vil de kun udsende en anden kvasipartikel, hvis de er blevet flettet. Denne kvasipartikel tjener som en fysisk registrering af deres krydsede rejse gennem rum og tid.

Og det afgørende er, at hukommelsen også er næsten uforgængelig. Så længe anyonerne holdes langt fra hinanden, vil det at stikke i enhver individuel partikel ikke ændre den tilstand, parret er i - uanset om det er nul eller én. På denne måde er deres kollektive hukommelse effektivt afskåret fra universets kakofoni.

"Dette ville være det perfekte sted at skjule information," sagde Maissam Barkeshli, en kondenseret materie teoretiker ved University of Maryland.

Ustyrlige elektroner

Kitaevs forslag blev kendt som "topologisk" kvanteberegning, fordi det var afhængigt af fletningens topologi. Udtrykket refererer til brede træk ved fletningen - for eksempel antallet af drejninger - som ikke er påvirket af nogen specifik deformation af deres vej. De fleste forskere mener nu, at fletninger er fremtiden for kvantecomputere, i en eller anden form. Microsoft har for eksempel forskere, der forsøger at overtale elektroner til at danne ikke-abelske anyoner direkte. Allerede nu har virksomheden investeret millioner af dollars i at bygge små ledninger, der - ved tilstrækkeligt kolde temperaturer - skal være vært for de enkleste arter af flettebare kvasipartikler ved deres spidser. Forventningen er, at ved disse lave temperaturer vil elektroner naturligt samle sig for at danne anyoner, som igen kan flettes til pålidelige qubits.

Efter ti års indsats er disse forskere dog stadig kæmper for at bevise at deres tilgang vil virke. En sprudlende påstand fra 2018 om, at de endelig havde opdaget den enkleste type ikke-abelske kvasipartikel, kendt som "Majorana zero modes", blev efterfulgt af en tilsvarende højprofileret tilbagetrækning i 2021. Virksomheden rapporterede nye fremskridt i en 2022 fortryk, men få uafhængige forskere forventer snart at se vellykket fletning.

Lignende bestræbelser på at omdanne elektroner til ikke-abelske anyoner er også gået i stå. Bob Willett fra Nokia Bell Labs har nok komme tættest på i sine forsøg på at inddæmme elektroner i galliumarsenid, hvor lovende, men subtile tegn af fletning findes. Dataene er dog rodede, og den ultrakolde temperatur, de ultrarene materialer og de ultrastærke magnetiske felter gør eksperimentet svært at reproducere.

"Der har været en lang historie med ikke at observere noget," sagde Eun-Ah Kim fra Cornell University.

At vride elektroner er imidlertid ikke den eneste måde at lave ikke-abelske kvasipartikler på.

"Jeg havde opgivet alt dette," sagde Kim, der brugte år på at finde på måder at opdage nogen som kandidatstuderende og nu samarbejder med Google. "Så kom kvantesimulatorerne."

Overensstemmende Qubits

Kvanteprocessorer ændrer jagten på nogen. I stedet for at forsøge at lokke horder af elektroner til at falde på linje, er forskere i de senere år begyndt at bruge enhederne til at bøje individuelle qubits til deres vilje. Nogle fysikere overvejer disse anstrengelsessimuleringer, fordi qubits inde i processoren er abstraktioner af partikler (mens deres fysiske natur varierer fra laboratorium til laboratorium, kan du visualisere dem som partikler, der snurrer rundt om en akse). Men kvantenaturen af ​​qubits er reel, så - simuleringer eller ej - processorerne er blevet legepladser for topologiske eksperimenter.

"Det puster nyt liv" i feltet, sagde Fiona Burnell, en kondenseret stof-teoretiker ved University of Minnesota, "fordi det har været så svært at lave solid state-systemer."

Syntetisering af anyons på kvanteprocessorer er en alternativ måde at udnytte kraften i Kitaevs fletninger: Accepter, at dine qubits er middelmådige, og ret deres fejl. Nutidens sjuskede qubits virker ikke ret længe, ​​så enhver, der er bygget af dem, vil også have kort levetid. Drømmen er hurtigt og gentagne gange at måle grupper af qubits og rette fejl, efterhånden som de dukker op, og derved forlænge levetiden for anyonerne. Måling sletter en individuel qubits kvanteinformation ved at kollapse dens bølgefunktion og omdanne den til en klassisk bit. Det ville også ske her, men den vigtige information ville forblive urørlig - skjult i mange andres kollektive tilstand. På denne måde håber Google og andre virksomheder at styrke qubits med hurtige målinger og hurtige korrektioner (i modsætning til lave temperaturer).

"Lige siden Kitaev," sagde Mike Zaletel, en fysiker i kondenseret stof ved University of California, Berkeley, "det har været måden, folk tror, ​​at kvantefejlkorrektion sandsynligvis vil fungere."

Google tog et stort skridt mod kvantefejlkorrektion i foråret 2021, da forskere samlede omkring to dusin qubits i det enkleste gitter, der er i stand til kvantefejlkorrektion, en fase af stof kendt som den toriske kode.

At oprette den toriske kode på Googles processor svarer til at tvinge hver qubit til strengt at samarbejde med sine naboer ved forsigtigt at skubbe dem med mikrobølgeimpulser. Uden målt peger en qubit i en superposition af mange mulige retninger. Googles processor skærer effektivt ned på disse muligheder ved at få hver qubit til at koordinere sin spin-akse med sine fire naboer på specifikke måder. Mens den toriske kode har topologiske egenskaber, der kan bruges til kvantefejlkorrektion, er den ikke vært for ikke-abelske kvasipartikler. Til det måtte Google vende sig til et mærkeligt trick længe kendt til teoretikere: visse ufuldkommenheder i gitteret af qubits, kaldet "twist-defekter", kan erhverve ikke-abelsk magi.

Sidste efterår postede Kim og Yuri Lensky, en teoretiker ved Cornell, sammen med Google-forskere en opskrift på let at lave og fletning af par af defekter i den toriske kode. I et fortryk, der blev lagt ud kort efter, udtalte eksperimentalister hos Google rapporteret implementering den idé, som indebar at afbryde forbindelser mellem tilstødende qubits. De resulterende fejl i qubit-gitteret virkede ligesom den simpleste art af ikke-abelske kvasipartikler, Microsofts Majorana-nul-tilstande.

"Min første reaktion var 'Wow, Google simulerede lige, hvad Microsoft forsøger at bygge. Det var et rigtigt bøjeligt øjeblik,” sagde Tyler Ellison, en fysiker ved Yale University.

Ved at justere, hvilke forbindelser de skærer, kunne forskerne flytte deformationerne. De lavede to par ikke-abelske defekter, og ved at skubbe dem rundt om et fem-til-fem-qubit skakbræt fik de lige knap en fletning. Forskerne afviste at kommentere deres eksperiment, som er ved at blive klargjort til offentliggørelse, men andre eksperter roste præstationen.

"I meget af mit arbejde har jeg tegnet billeder, der ligner ens," sagde Ellison. "Det er fantastisk at se, at de faktisk demonstrerede dette."

Maling efter mål

Alt imens en gruppe teoretikere ledes op af Ashvin Vishwanath på Harvard University forfulgte stille og roligt, hvad mange betragter som et endnu højere mål: at skabe en mere kompliceret fase af kvantestof, hvor ægte ikke-abelske nogen - i modsætning til defekter - opstår naturligt i en uberørt fase af stof. "[Googles] defekt er en slags baby-ikke-abelsk ting," sagde Burnell, som ikke var involveret i nogen af ​​anstrengelserne.

Enhver af begge typer lever i faser af stof med en topologisk natur defineret af indviklede gobeliner af gossamer-tråde, kvanteforbindelser kendt som sammenfiltring. Sammenfiltrede partikler opfører sig på en koordineret måde, og når billioner af partikler bliver viklet ind, kan de kruse i komplicerede faser, nogle gange sammenlignet med danse. I faser med topologisk orden organiserer sammenfiltring partikler i løkker af justerede spins. Når en løkke skæres, er hver ende en anyon.

Topologisk orden kommer i to smagsvarianter. Simple faser som den toriske kode har "abelsk orden." Der er løse ender abelske anyons. Men forskere, der søger ægte ikke-abelske nogen, har blikket rettet mod et helt andet og meget mere kompliceret gobelin med ikke-abelsk orden.

Vishwanaths gruppe hjalp med at lave mad sammen fase med abelsk orden i 2021. De drømte om at gå længere, men at sy qubits ind i ikke-abelske sammenfiltringsmønstre viste sig at være for indviklet for nutidens ustabile processorer. Så besætningen gennemsøgte litteraturen for at finde nye ideer.

De fandt et spor i en par of papirer fra årtier før. De fleste kvanteenheder beregner ved at massere deres qubits på samme måde som man kan fnugge en pude, på en skånsom måde, hvor intet fyld flyver ud gennem sømmene. Omhyggeligt at strikke sammenfiltring gennem disse "enhedsoperationer" tager tid. Men i begyndelsen af ​​2000'erne slog Robert Raussendorf, en fysiker nu ved University of British Columbia, på en genvej. Hemmeligheden var at hacke bidder af bølgefunktionen væk ved hjælp af måling - den proces, der normalt dræber kvantetilstande.

"Det er en virkelig voldelig operation," sagde Ruben Verresen, en af ​​Vishwanaths samarbejdspartnere på Harvard.

Raussendorf og hans samarbejdspartnere detaljerede, hvordan selektive målinger på visse qubits kunne tage en usammenfiltret tilstand og med vilje sætte den i en sammenfiltret tilstand, en proces, som Verresen sammenligner med at skære marmor væk for at skulpturere en statue.

Teknikken havde en mørk side, der oprindeligt dømte forskernes forsøg på at lave ikke-abelske faser: Måling giver tilfældige resultater. Når teoretikerne målrettede en bestemt fase, efterlod målinger ikke-abelske nogen plettet tilfældigt omkring, som om forskerne forsøgte at male Mona Lisa ved at sprøjte maling på et lærred. "Det virkede som en fuldstændig hovedpine," sagde Verresen.

Mod slutningen af ​​2021 fandt Vishwanaths gruppe på en løsning: at skulpturere bølgefunktionen af ​​et qubit-gitter med flere målerunder. Med den første runde forvandlede de en kedelig fase af stof til en simpel abelsk fase. Derefter førte de den fase frem i en anden runde af målinger, og mejslede den yderligere ind i en mere kompliceret fase. Ved at spille dette spil med topologisk kattens vugge indså de, at de kunne løse tilfældigheder, mens de bevægede sig trin for trin, klatrede op ad en stige af stadig mere komplicerede faser for at nå en fase med ikke-abelsk orden.

"I stedet for tilfældigt at prøve målinger og se, hvad du får, ønsker du at hoppe over landskabet af faser af stof," sagde Verresen. Det er et topologisk landskab, som teoretikere først har for nylig begyndt at forstå.

Sidste sommer satte gruppen deres teori på prøve på Quantinuums H1 fangede-ion-processor, en af ​​de eneste kvanteenheder, der kan udføre målinger i farten. Ligesom Google-gruppen, de lavet den abelske toriske kode og flettede sine ikke-abelske skavanker. De prøvede en ikke-abelsk fase, men kunne ikke nå dertil med kun 20 qubits.

Men så tog en forsker ved Quantinuum, Henrik Dreyer, Verresen til side. Efter at have sværget ham til tavshedspligt med en hemmeligholdelsesaftale fortalte han Verresen, at virksomheden havde en andengenerationsenhed. Det afgørende var, at H2 havde hele 32 qubits. Det krævede betydelig fingling, men holdet formåede at oprette den enkleste ikke-abelske fase på 27 af disse qubits. "Hvis vi havde en eller to færre qubits, tror jeg ikke, vi kunne have gjort det," sagde Vishwanath.

Deres eksperimenter markerede den første uangribelige påvisning af en ikke-abelsk fase af stof. "At realisere en ikke-abelsk topologisk orden er noget, folk har ønsket at gøre i lang tid," sagde Burnell. "Det er bestemt et vigtigt vartegn."

Deres arbejde kulminerede i fletningen af ​​tre par ikke-abelske anyoner, således at deres baner gennem rum og tid dannede et mønster kendt som borromæiske ringe, den første fletning af ikke-abelske anyoner. Tre borromæiske ringe er uadskillelige, når de er sammen, men hvis du skærer en af, vil de to andre falde fra hinanden.

"Der er en slags nørd-faktor," sagde Wilczek. "Det kræver enorm kontrol over kvanteverdenen at producere disse kvanteobjekter."

The Big Chill

Da andre fysikere fejrer disse milepæle, understreger de også, at Google og Quantinuum kører et andet løb end folk som Microsoft og Willett. At skabe topologiske faser på en kvanteprocessor er som at lave verdens mindste isterning ved at stable et par dusin vandmolekyler - imponerende, siger de, men ikke nær så tilfredsstillende som at se en isplade dannes naturligt.

"Den underliggende matematik er ekstremt smuk, og at være i stand til at validere det er bestemt umagen værd," sagde Chetan Nayak, en forsker hos Microsoft, der har udført banebrydende arbejde på ikke-abelske systemer. Men for sin del, sagde han, håber han stadig på at se et system sætte sig ind i en tilstand med denne slags indviklede sammenfiltringsmønster alene, når det er afkølet.

"Hvis dette var utvetydigt set i [Willetts eksperimenter], ville vores sind blive blæst," sagde Barkeshli. At se det i en kvanteprocessor "er fedt, men ingen bliver blæst væk."

Det mest spændende aspekt af disse eksperimenter, ifølge Barkeshli, er deres betydning for kvanteberegning: Forskere har endelig vist, at de kan lave de nødvendige ingredienser, 26 år efter Kitaevs første forslag. Nu mangler de bare at finde ud af, hvordan de virkelig skal sætte dem i gang.

En ulempe er, at enhver, ligesom Pokémon, findes i et enormt antal forskellige arter, hver med sine egne styrker og svagheder. Nogle har for eksempel rigere minder om deres fortid, hvilket gør deres fletninger mere regnekraftige. Men det er sværere at lokke dem til at eksistere. Enhver specifik ordning bliver nødt til at afveje sådanne afvejninger, hvoraf mange endnu ikke er forstået.

"Nu hvor vi har evnen til at lave forskellige former for topologisk orden, bliver disse ting virkelige, og du kan tale om disse afvejninger i mere konkrete termer," sagde Vishwanath.

Den næste milepæl bliver reel fejlkorrektion, som hverken Google eller Quantinuum forsøgte. Deres flettede qubits var skjulte, men ikke beskyttede, hvilket ville have krævet måling af de knasende underliggende qubits og hurtigt rettet deres fejl i realtid. Den demonstration ville være et skelsættende øjeblik inden for kvanteberegning, men det er år væk - hvis det overhovedet er muligt.

Indtil da håber optimister, at disse nylige eksperimenter vil starte en cyklus, hvor mere avancerede kvantecomputere fører til en bedre kommando over ikke-abelske kvasipartikler, og at kontrol igen hjælper fysikere med at udvikle mere dygtige kvanteenheder.

"Bare at få målingernes kraft frem," sagde Wilczek, "det er noget, der måske kan ændre spillet."