Οι φυσικοί δημιουργούν άπιαστα σωματίδια που θυμούνται το παρελθόν τους

Πριν από σαράντα χρόνια, ο Frank Wilczek σκεφτόταν ένα περίεργο είδος σωματιδίου που μπορούσε να ζήσει μόνο σε ένα επίπεδο σύμπαν. Αν είχε βάλει στυλό σε χαρτί και είχε κάνει τους υπολογισμούς, ο Wilczek θα είχε ανακαλύψει ότι αυτά τα τότε θεωρητικά σωματίδια κρατούσαν μια απόκοσμη ανάμνηση του παρελθόντος τους, μια πολύ καλά υφασμένη στο ιστό της πραγματικότητας για να τη διαγράψει οποιαδήποτε διαταραχή.

Ωστόσο, μη βλέποντας κανένα λόγο ότι η φύση θα έπρεπε να επιτρέψει την ύπαρξη τέτοιων παράξενων θηρίων, ο μελλοντικός νομπελίστας φυσικός επέλεξε να μην ακολουθήσει τα πειράματά του σκέψης στα πιο παράξενα συμπεράσματά τους - παρά τις αντιρρήσεις του συνεργάτη του Anthony Zee, ενός διάσημου θεωρητικού φυσικού στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Μπάρμπαρα.

«Είπα, «Έλα, Τόνι, ο κόσμος θα μας κοροϊδέψει», είπε Wilczek, τώρα καθηγητής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης.

Άλλοι δεν ήταν τόσο απρόθυμοι. Οι ερευνητές έχουν ξοδέψει εκατομμύρια δολάρια τις τελευταίες τρεις δεκαετίες περίπου προσπαθώντας να συλλάβουν και να δαμάσουν τα αντικείμενα που μοιάζουν με σωματίδια, τα οποία χαρακτηρίζονται από το κρυπτικό παρατσούκλι των μη αβελιανών οποιωνδήποτε.

Τώρα δύο πειράματα ορόσημα επιτέλους πέτυχαν και κανείς δεν γελάει. "Αυτός ήταν ένας στόχος και τώρα χτυπήθηκε", είπε ο Wilczek.

Φυσικοί που συνεργάζονται με την εταιρεία Quantinuum ανακοίνωσε σήμερα ότι είχαν χρησιμοποιήσει τον πρόσφατα αποκαλυφθέντα επεξεργαστή H2 επόμενης γενιάς της εταιρείας συνθέτουν και χειρίζονται μη-αβελικά οποιαδήποτε σε μια νέα φάση της κβαντικής ύλης. Ακολουθεί το έργο τους ένα προτύπωμα δημοσιεύτηκε το περασμένο φθινόπωρο, όπου οι ερευνητές με την Google γιόρτασαν την πρώτη σαφή διαπλοκή αντικειμένων που δεν είναι αβελικά, μια απόδειξη της ιδέας ότι οι πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν και να χειραγωγηθούν στην κοινή τους μνήμη. Μαζί, τα πειράματα λυγίζουν τους αυξανόμενους μυς των κβαντικών συσκευών ενώ προσφέρουν μια πιθανή ματιά στο μέλλον των υπολογιστών: Διατηρώντας σχεδόν άφθαρτα αρχεία των ταξιδιών τους στο χώρο και το χρόνο, οι μη-αβελικοί οποιοσδήποτε θα μπορούσε να προσφέρει την πιο πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για την κατασκευή ανεκτικών σφαλμάτων κβαντικούς υπολογιστές.

"Ως καθαρή επιστήμη, είναι απλά, ουάου", είπε Άντι Στερν, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Ισραήλ, ο οποίος έχει περάσει την καριέρα του μελετώντας τα αντικείμενα. «Αυτό σας φέρνει πιο κοντά [στον τοπολογικό κβαντικό υπολογισμό]. Αλλά αν υπάρχει κάτι που μας έδειξαν οι τελευταίες δεκαετίες, είναι ένας μακρύς και στροφορμής δρόμος».

Flatland Computing

Το 1982, ο Wilczek βοήθησε να ανοίξει το μυαλό των φυσικών στο θηριοτροφείο των σωματιδίων που θα μπορούσαν να υπάρχουν σε δύο διαστάσεις. Επεξεργάστηκε τις συνέπειες του περιορισμού των κβαντικών νόμων σε ένα υποθετικό, εντελώς επίπεδο σύμπαν και διαπίστωσε ότι θα περιείχε περίεργα σωματίδια με κλασματικά σπιν και φορτία. Επιπλέον, η εναλλαγή σωματιδίων που δεν διακρίνονται διαφορετικά θα μπορούσε να τα αλλάξει με τρόπους που ήταν αδύνατος για τα τρισδιάστατα αντίστοιχα. Wilczek αναιδής όνομα αυτά τα δισδιάστατα σωματίδια οποιοσδήποτε, αφού φαινόταν να είναι ικανά σχεδόν για τα πάντα.

Ο Wilczek εστίασε στα απλούστερα «αβελιανά» οποιαδήποτε, σωματίδια που, όταν ανταλλάσσονται, αλλάζουν με λεπτούς τρόπους που δεν είναι άμεσα ανιχνεύσιμοι.

Δεν σταμάτησε να εξερευνήσει την πιο άγρια ​​επιλογή - μη-αβελιανά anyons, σωματίδια που μοιράζονται μια μνήμη. Η εναλλαγή των θέσεων δύο μη-αβελιανών ανωνίων παράγει ένα άμεσα παρατηρήσιμο αποτέλεσμα. Αλλάζει την κατάσταση της κοινής κυματικής συνάρτησης τους, μια ποσότητα που περιγράφει την κβαντική φύση ενός συστήματος. Αν σκοντάψετε σε δύο πανομοιότυπα μη-αβελιανά άτομα, μετρώντας σε ποια κατάσταση βρίσκονται, μπορείτε να πείτε αν ήταν πάντα σε αυτές τις θέσεις ή αν είχαν διασταυρωθεί - μια δύναμη που κανένα άλλο σωματίδιο δεν μπορεί να διεκδικήσει.

Στον Wilczek, αυτή η ιδέα φαινόταν πολύ φανταστική για να εξελιχθεί σε επίσημη θεωρία. «Τι είδους καταστάσεις ύλης υποστηρίζουν αυτές;» θυμήθηκε τη σκέψη.

Αλλά το 1991, δύο φυσικοί προσδιόρισε αυτές τις πολιτείες. Προέβλεψαν ότι, όταν υποβληθούν σε αρκετά ισχυρά μαγνητικά πεδία και αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια που είναι κολλημένα σε μια επιφάνεια θα στροβιλίζονταν μαζί με τον σωστό τρόπο για να σχηματίσουν μη αβελιανά οποιαδήποτε. Τα anyons δεν θα ήταν θεμελιώδη σωματίδια - ο τρισδιάστατος κόσμος μας το απαγορεύει - αλλά "οιονεί σωματίδια.» Αυτές είναι συλλογές σωματιδίων, αλλά καλύτερα να θεωρούνται ως μεμονωμένες μονάδες. Τα οιονεί σωματίδια έχουν ακριβείς θέσεις και συμπεριφορές, όπως ακριβώς οι συλλογές μορίων νερού παράγουν κύματα και δίνες.

Το 1997, ο Alexei Kitaev, θεωρητικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, τόνισε ότι τέτοια οιονεί σωματίδια θα μπορούσαν να θέσουν την τέλεια βάση για τους κβαντικούς υπολογιστές. Οι φυσικοί έχουν από καιρό σιελώσει τη δυνατότητα να αξιοποιήσουν τον κβαντικό κόσμο για να εκτελέσουν υπολογισμούς πέρα ​​από τους τυπικούς υπολογιστές και τα δυαδικά bits τους. Αλλά τα qubits, τα δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών σαν άτομο, είναι εύθραυστα. Οι κυματοσυναρτήσεις τους καταρρέουν με το πιο ελαφρύ άγγιγμα, διαγράφοντας τις μνήμες τους και την ικανότητά τους να εκτελούν κβαντικούς υπολογισμούς. Αυτή η αδυναμία έχει πολύπλοκες φιλοδοξίες να ελέγξουν τα qubits αρκετά ώστε να ολοκληρώσουν τους μακροσκελούς υπολογισμούς.

Ο Kitaev συνειδητοποίησε ότι η κοινή μνήμη των μη-αβελιανών οποιωνδήποτε θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως ιδανικό qubit. Για αρχή, ήταν εύπλαστο. Θα μπορούσατε να αλλάξετε την κατάσταση του qubit - γυρίζοντας ένα μηδέν σε ένα - ανταλλάσσοντας τις θέσεις των anyon με έναν τρόπο που είναι γνωστός ως "braiding".

Θα μπορούσατε επίσης να διαβάσετε την κατάσταση του qubit. Όταν, για παράδειγμα, τα πιο απλά μη-αβελικά ονόντα συγκεντρωθούν και «συντηχθούν», θα εκπέμψουν ένα άλλο οιονείσωματίδιο μόνο εάν έχουν πλεγμένο πλεκτό. Αυτό το οιονείσωματίδιο χρησιμεύει ως φυσική καταγραφή του διασταυρωμένου ταξιδιού τους στο χώρο και τον χρόνο.

Και το κρίσιμο είναι ότι η μνήμη είναι επίσης σχεδόν άφθαρτη. Εφόσον τα anyons διατηρούνται μακριά το ένα από το άλλο, το να χτυπήσετε οποιοδήποτε μεμονωμένο σωματίδιο δεν θα αλλάξει την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το ζεύγος — είτε μηδέν είτε ένα. Με αυτόν τον τρόπο η συλλογική τους μνήμη ουσιαστικά αποκόπτεται από την κακοφωνία του σύμπαντος.

"Αυτό θα ήταν το τέλειο μέρος για να κρύψετε πληροφορίες", είπε Maissam Barkeshli, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ.

Ατίθασα Ηλεκτρόνια

Η πρόταση του Kitaev έγινε γνωστή ως «τοπολογικός» κβαντικός υπολογισμός επειδή βασιζόταν στην τοπολογία των πλεξούδων. Ο όρος αναφέρεται σε μεγάλα χαρακτηριστικά της πλεξούδας - για παράδειγμα, τον αριθμό των στροφών - που δεν επηρεάζονται από καμία συγκεκριμένη παραμόρφωση της διαδρομής τους. Οι περισσότεροι ερευνητές πιστεύουν τώρα ότι οι πλεξούδες είναι το μέλλον του κβαντικού υπολογισμού, με τη μια ή την άλλη μορφή. Η Microsoft, για παράδειγμα, έχει ερευνητές που προσπαθούν να πείσουν τα ηλεκτρόνια να σχηματίσουν άμεσα μη-αβελικά οποιαδήποτε. Ήδη, η εταιρεία έχει επενδύσει εκατομμύρια δολάρια για την κατασκευή μικροσκοπικών συρμάτων που - σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες - θα πρέπει να φιλοξενούν τα απλούστερα είδη πλέξης οιονεί σωματιδίων στις άκρες τους. Η προσδοκία είναι ότι σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια θα συγκεντρωθούν φυσικά για να σχηματίσουν οποιοδήποτε, τα οποία με τη σειρά τους μπορούν να πλεγτούν σε αξιόπιστα qubits.

Μετά από μια δεκαετία προσπάθειας, όμως, αυτοί οι ερευνητές είναι ακόμα πασχίζει να αποδείξει ότι η προσέγγισή τους θα λειτουργήσει. Ένας καταιγιστικός ισχυρισμός του 2018 ότι είχαν τελικά ανιχνεύσει τον απλούστερο τύπο μη αβελιανού οιονείσωματιδίου, γνωστό ως "Majorana zero modes", ακολουθήθηκε από μια παρόμοια υψηλού προφίλ ανάκληση το 2021. Η εταιρεία ανέφερε νέα πρόοδο σε ένα Προεκτύπωση 2022, αλλά λίγοι ανεξάρτητοι ερευνητές αναμένουν να δουν επιτυχημένη πλέξη σύντομα.

Παρόμοιες προσπάθειες να μετατραπούν τα ηλεκτρόνια σε μη αβελιανά οποιονδήποτε έχουν επίσης σταματήσει. Ο Bob Willett της Nokia Bell Labs έχει μάλλον θα έρθει το πιο κοντά στις προσπάθειές του να συλλέξει ηλεκτρόνια στο αρσενίδιο του γαλλίου, όπου πολλά υποσχόμενα αλλά διακριτικά σημάδια της πλέξης υπάρχουν. Τα δεδομένα είναι ακατάστατα, ωστόσο, και η εξαιρετικά κρύα θερμοκρασία, τα εξαιρετικά καθαρά υλικά και τα εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία κάνουν το πείραμα δύσκολο να αναπαραχθεί.

«Υπάρχει μακρά ιστορία να μην παρατηρούμε τίποτα», είπε Eun-Ah Kim του Πανεπιστημίου Cornell.

Ωστόσο, η διαμάχη ηλεκτρονίων δεν είναι ο μόνος τρόπος για να δημιουργηθούν μη αβελιανά οιονεί σωματίδια.

«Είχα εγκαταλείψει όλα αυτά», είπε η Kim, η οποία πέρασε χρόνια βρίσκοντας τρόπους να εντοπίσει κανέναν ως μεταπτυχιακός φοιτητής και τώρα συνεργάζεται με την Google. «Μετά ήρθαν οι κβαντικοί προσομοιωτές».

Συμβατά Qubits

Οι κβαντικοί επεξεργαστές αλλάζουν το κυνήγι για οποιονδήποτε. Αντί να προσπαθούν να πείσουν ορδές ηλεκτρονίων να πέσουν στη γραμμή, τα τελευταία χρόνια οι ερευνητές άρχισαν να χρησιμοποιούν τις συσκευές για να λυγίζουν μεμονωμένα qubits σύμφωνα με τη θέλησή τους. Μερικοί φυσικοί θεωρούν αυτές τις προσπάθειες προσομοιώσεις, επειδή τα qubits μέσα στον επεξεργαστή είναι αφαιρέσεις σωματιδίων (ενώ η φυσική τους φύση ποικίλλει από εργαστήριο σε εργαστήριο, μπορείτε να τα οπτικοποιήσετε ως σωματίδια που περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα). Αλλά η κβαντική φύση των qubits είναι πραγματική, επομένως — προσομοιώσεις ή όχι — οι επεξεργαστές έχουν γίνει παιδικές χαρές για τοπολογικά πειράματα.

«Δίνει νέα πνοή» στο γήπεδο, είπε Φιόνα Μπέρνελ, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, «επειδή ήταν τόσο δύσκολο να κατασκευαστούν συστήματα στερεάς κατάστασης».

Η σύνθεση anyons σε κβαντικούς επεξεργαστές είναι ένας εναλλακτικός τρόπος για να αξιοποιήσετε τη δύναμη των πλεξούδων του Kitaev: Αποδεχτείτε ότι τα qubits σας είναι μέτρια και διορθώστε τα λάθη τους. Τα σημερινά άχρηστα qubits δεν λειτουργούν για πολύ, επομένως οποιοσδήποτε κατασκευασμένος από αυτά θα έχει επίσης μικρή διάρκεια ζωής. Το όνειρο είναι να μετράτε γρήγορα και επανειλημμένα ομάδες qubits και να διορθώνετε λάθη καθώς εμφανίζονται, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής των anyons. Η μέτρηση διαγράφει τις κβαντικές πληροφορίες ενός μεμονωμένου qubit συμπτύσσοντας την κυματική του συνάρτηση και μετατρέποντάς το σε κλασικό bit. Αυτό θα συνέβαινε και εδώ, αλλά οι σημαντικές πληροφορίες θα παρέμεναν ανέγγιχτες — κρυμμένες στη συλλογική κατάσταση πολλών. Με αυτόν τον τρόπο, η Google και άλλες εταιρείες ελπίζουν να ενισχύσουν τα qubits με γρήγορες μετρήσεις και γρήγορες διορθώσεις (σε αντίθεση με τις χαμηλές θερμοκρασίες).

«Από τότε ο Κιτάεφ», είπε Μάικ Ζαλέτελ, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, «αυτός ήταν ο τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι πιστεύουν ότι η διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων πιθανότατα θα λειτουργήσει».

Η Google πήρε ένα σημαντικό βήμα προς την κβαντική διόρθωση σφαλμάτων την άνοιξη του 2021, όταν οι ερευνητές συγκέντρωσαν περίπου δύο δωδεκάδες qubits στο απλούστερο πλέγμα ικανό για κβαντική διόρθωση σφαλμάτων, μια φάση της ύλης γνωστής ως τορικός κώδικας.

Η δημιουργία του κώδικα toric στον επεξεργαστή της Google ισοδυναμεί με αναγκασμό κάθε qubit να συνεργάζεται αυστηρά με τους γείτονές του σπρώχνοντάς τους απαλά με παλμούς μικροκυμάτων. Αν δεν μετρηθεί, ένα qubit δείχνει σε μια υπέρθεση πολλών πιθανών κατευθύνσεων. Ο επεξεργαστής της Google μείωσε αποτελεσματικά αυτές τις επιλογές κάνοντας κάθε qubit να συντονίζει τον άξονα περιστροφής του με τους τέσσερις γείτονές του με συγκεκριμένους τρόπους. Ενώ ο τορικός κώδικας έχει τοπολογικές ιδιότητες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων, δεν φιλοξενεί εγγενώς μη αβελιανά οιονεί σωματίδια. Για αυτό, η Google έπρεπε να στραφεί σε ένα περίεργο κόλπο από καιρό γνωστό για τους θεωρητικούς: ορισμένες ατέλειες στο πλέγμα των qubits, που ονομάζονται «ελαττώματα συστροφής», μπορούν να αποκτήσουν μη αβελιανή μαγεία.

Το περασμένο φθινόπωρο, ο Kim και ο Yuri Lensky, θεωρητικός στο Cornell, μαζί με ερευνητές της Google, δημοσίευσαν μια συνταγή για εύκολη κατασκευή και πλέξη ζεύγη ελαττωμάτων στον κώδικα τορικής. Σε μια προεκτύπωση που δημοσιεύτηκε λίγο αργότερα, πειραματιστές της Google αναφέρθηκε ότι εφαρμόζεται αυτή η ιδέα, η οποία περιλάμβανε τη διακοπή των συνδέσεων μεταξύ γειτονικών qubits. Τα ελαττώματα που προέκυψαν στο πλέγμα qubit λειτουργούσαν ακριβώς όπως τα απλούστερα είδη μη αβελιανών οιονείσωματιδίων, οι μηδενικές λειτουργίες Majorana της Microsoft.

«Η αρχική μου αντίδραση ήταν «Ουάου, η Google μόλις προσομοίωσε αυτό που προσπαθεί να δημιουργήσει η Microsoft. Ήταν μια πραγματική στιγμιαία ελαστικότητα», είπε Τάιλερ Έλισον, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale.

Προσαρμόζοντας ποιες συνδέσεις κόβουν, οι ερευνητές θα μπορούσαν να μετακινήσουν τις παραμορφώσεις. Έκαναν δύο ζεύγη μη-αβελιανών ελαττωμάτων και σύροντάς τα γύρω από μια σκακιέρα πέντε επί πέντε qubit, μόλις έβγαλαν μια πλεξούδα. Οι ερευνητές αρνήθηκαν να σχολιάσουν το πείραμά τους, το οποίο ετοιμάζεται για δημοσίευση, αλλά άλλοι ειδικοί επαίνεσαν το επίτευγμα.

"Σε πολλές από τις δουλειές μου, έχω κάνει doodling φωτογραφίες με παρόμοια εμφάνιση", είπε ο Ellison. «Είναι εκπληκτικό να βλέπεις ότι το απέδειξαν αυτό».

Ζωγραφική με Μέτρηση

Όλο αυτό το διάστημα, μια ομάδα θεωρητικών με επικεφαλής Ashvin Vishwanath στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ επιδίωκε αθόρυβα αυτό που πολλοί θεωρούν έναν ακόμη υψηλότερο στόχο: τη δημιουργία μιας πιο περίπλοκης φάσης κβαντικής ύλης όπου τα αληθινά μη αβελιανά οποιονδήποτε - σε αντίθεση με τα ελαττώματα - προκύπτουν εγγενώς σε μια παρθένα φάση της ύλης. «Το ελάττωμα [της Google] είναι κάτι που δεν είναι αβελικό», είπε ο Burnell, ο οποίος δεν συμμετείχε σε καμία από τις δύο προσπάθειες.

Οποιοσδήποτε και των δύο τύπων ζει σε φάσεις της ύλης με τοπολογική φύση που ορίζεται από περίπλοκες ταπετσαρίες από νήματα, κβαντικές συνδέσεις γνωστές ως μπλέξιμο. Τα μπλεγμένα σωματίδια συμπεριφέρονται με συντονισμένο τρόπο και όταν μπλέκονται τρισεκατομμύρια σωματίδια, μπορούν να κυματιστούν σε περίπλοκες φάσεις που μερικές φορές παρομοιάζονται με χορούς. Σε φάσεις με τοπολογική σειρά, η εμπλοκή οργανώνει τα σωματίδια σε βρόχους ευθυγραμμισμένων περιστροφών. Όταν κόβεται ένας βρόχος, κάθε άκρο είναι ένα οποιοδήποτε.

Η τοπολογική σειρά έρχεται σε δύο γεύσεις. Οι απλές φάσεις όπως ο τορικός κώδικας έχουν «αβελιανή τάξη». Εκεί, τα χαλαρά άκρα είναι abelian anyons. Αλλά οι ερευνητές που αναζητούν αληθινούς μη-αβελιανούς οποιονδήποτε έχει το βλέμμα τους σε μια εντελώς διαφορετική και πολύ πιο περίπλοκη ταπετσαρία με μη αβελιανή σειρά.

Η ομάδα του Vishwanath βοήθησε στο μαγείρεμα του a φάση με αβελιανή τάξη το 2021. Ονειρευόντουσαν να προχωρήσουν παραπέρα, αλλά η συρραφή των qubits σε μη-αβελικά μοτίβα εμπλοκής αποδείχθηκε πολύ περίπλοκη για τους σημερινούς ασταθείς επεξεργαστές. Έτσι, το πλήρωμα έψαξε τη βιβλιογραφία για νέες ιδέες.

Βρήκαν μια ένδειξη σε ένα ζεύγος of χαρτιά από δεκαετίες πριν. Οι περισσότερες κβαντικές συσκευές υπολογίζουν κάνοντας μασάζ με τα qubits τους, όπως θα μπορούσε κανείς να αφρατέψει ένα μαξιλάρι, με απαλό τρόπο, όπου κανένα γέμιση δεν περνάει μέσα από τις ραφές. Το προσεκτικό πλέξιμο της εμπλοκής μέσω αυτών των «ενιαίων» λειτουργιών απαιτεί χρόνο. Αλλά στις αρχές της δεκαετίας του 2000, ο Ρόμπερτ Ράουσεντορφ, ένας φυσικός τώρα στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, πέτυχε μια συντόμευση. Το μυστικό ήταν να χαθούν κομμάτια της κυματικής συνάρτησης χρησιμοποιώντας μέτρηση - τη διαδικασία που συνήθως σκοτώνει τις κβαντικές καταστάσεις.

«Είναι μια πραγματικά βίαιη επιχείρηση», είπε Ρούμπεν Βερέσεν, ένας από τους συνεργάτες του Βισβανάθ στο Χάρβαρντ.

Ο Raussendorf και οι συνεργάτες του εξέθεσαν πώς οι επιλεκτικές μετρήσεις σε ορισμένα qubits θα μπορούσαν να πάρουν μια άπλετη κατάσταση και σκόπιμα να το βάλουν σε κατάσταση εμπλοκής, μια διαδικασία που ο Verresen παρομοιάζει με την κοπή μαρμάρου για τη γλυπτική ενός αγάλματος.

Η τεχνική είχε μια σκοτεινή πλευρά που αρχικά καταδίκασε τις προσπάθειες των ερευνητών να κάνουν μη αβελιανές φάσεις: Η μέτρηση παράγει τυχαία αποτελέσματα. Όταν οι θεωρητικοί στόχευσαν μια συγκεκριμένη φάση, οι μετρήσεις άφηναν τυχαία σημεία που δεν ήταν αβελικά, σαν οι ερευνητές να προσπαθούσαν να ζωγραφίσουν τη Μόνα Λίζα ρίχνοντας μπογιά σε έναν καμβά. «Έμοιαζε με πλήρη πονοκέφαλο», είπε ο Verresen.

Προς τα τέλη του 2021, η ομάδα του Βισβανάθ βρήκε μια λύση: σμιλεύοντας την κυματική συνάρτηση ενός πλέγματος qubit με πολλαπλούς γύρους μέτρησης. Με τον πρώτο γύρο, μετέτρεψαν μια βαρετή φάση της ύλης σε μια απλή αβελιανή φάση. Στη συνέχεια, τροφοδότησαν αυτή τη φάση προς τα εμπρός σε έναν δεύτερο γύρο μετρήσεων, σμιλεύοντάς την περαιτέρω σε μια πιο περίπλοκη φάση. Παίζοντας αυτό το παιχνίδι της τοπολογικής κούνιας γάτας, συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να αντιμετωπίσουν την τυχαιότητα ενώ κινούνταν βήμα προς βήμα, σκαρφαλώνοντας μια σκάλα όλο και πιο περίπλοκων φάσεων για να φτάσουν μια φάση με μη αβελιανή σειρά.

«Αντί να δοκιμάζετε τυχαία μετρήσεις και να βλέπετε τι παίρνετε, θέλετε να πηδήξετε στο τοπίο των φάσεων της ύλης», είπε ο Verresen. Είναι ένα τοπολογικό τοπίο που οι θεωρητικοί έχουν μόλις πρόσφατα άρχισε να καταλαβαίνει.

Το περασμένο καλοκαίρι, η ομάδα δοκίμασε τη θεωρία της στον επεξεργαστή παγιδευμένων ιόντων H1 της Quantinuum, μία από τις μοναδικές κβαντικές συσκευές που μπορούν να εκτελούν μετρήσεις εν κινήσει. Όπως και η ομάδα της Google, αυτοί έκανε τον αβελιανό τορικό κώδικα και έπλεξε τα μη αβελιανά του ελαττώματα. Προσπάθησαν για μια μη αβελιανή φάση αλλά δεν κατάφεραν να φτάσουν εκεί με μόνο 20 qubits.

Αλλά τότε ένας ερευνητής στο Quantinuum, ο Henrik Dreyer, πήρε στην άκρη τον Verresen. Αφού τον ορκίστηκε σε μυστικότητα με μια συμφωνία μη αποκάλυψης, είπε στον Verresen ότι η εταιρεία είχε μια συσκευή δεύτερης γενιάς. Το σημαντικότερο είναι ότι το H2 είχε 32 qubits. Χρειάστηκε σημαντικό φινάγλινγκ, αλλά η ομάδα κατάφερε να στήσει την απλούστερη μη αβελιανή φάση σε 27 από αυτά τα qubits. "Αν είχαμε ένα ή δύο λιγότερα qubits, δεν νομίζω ότι θα μπορούσαμε να το είχαμε κάνει", είπε ο Vishwanath.

Τα πειράματά τους σημάδεψαν την πρώτη απρόσβλητη ανίχνευση μιας μη αβελιανής φάσης της ύλης. «Η συνειδητοποίηση μιας μη αβελιανής τοπολογικής τάξης είναι κάτι που οι άνθρωποι ήθελαν να κάνουν εδώ και πολύ καιρό», είπε ο Burnell. "Αυτό είναι σίγουρα ένα σημαντικό ορόσημο."

Η δουλειά τους κορυφώθηκε με το πλέξιμο τριών ζευγών μη-αβελιανών οποιωνδήποτε, έτσι ώστε οι τροχιές τους μέσα στο χώρο και τον χρόνο να σχηματίζουν ένα μοτίβο γνωστό ως δαχτυλίδια Borromean, το πρώτο πλέξιμο των μη-αβελιανών ανωνίων. Τρία δαχτυλίδια Borromean είναι αχώριστα όταν είναι μαζί, αλλά αν κόψετε το ένα, τα άλλα δύο θα διαλυθούν.

"Υπάρχει ένα είδος παράγοντα gee-whiz", είπε ο Wilczek. «Χρειάζεται τεράστιος έλεγχος του κβαντικού κόσμου για να παραχθούν αυτά τα κβαντικά αντικείμενα».

The Big Chill

Καθώς άλλοι φυσικοί γιορτάζουν αυτά τα ορόσημα, τονίζουν επίσης ότι η Google και η Quantinuum τρέχουν έναν διαφορετικό αγώνα από αυτούς όπως η Microsoft και ο Willett. Η δημιουργία τοπολογικών φάσεων σε έναν κβαντικό επεξεργαστή είναι σαν να φτιάχνεις το πιο μικροσκοπικό παγάκι του κόσμου στοιβάζοντας μερικές δεκάδες μόρια νερού — εντυπωσιακό, λένε, αλλά όχι τόσο ικανοποιητικό όσο το να βλέπεις μια πλάκα πάγου να σχηματίζεται φυσικά.

«Τα υποκείμενα μαθηματικά είναι εξαιρετικά όμορφα και το να μπορούμε να το επικυρώσουμε σίγουρα αξίζει τον κόπο», είπε Τσετάν Ναγιάκ, ένας ερευνητής στη Microsoft που έχει κάνει πρωτοποριακή εργασία σε μη αβελικά συστήματα. Αλλά από την πλευρά του, είπε, εξακολουθεί να ελπίζει να δει ένα σύστημα να εγκαθίσταται σε μια κατάσταση με αυτό το είδος περίπλοκου μοτίβου εμπλοκής από μόνο του όταν κρυώσει.

«Αν αυτό φαινόταν ξεκάθαρα στα [πειράματα του Willett], το μυαλό μας θα ήταν ανάρπαστο», είπε ο Barkeshli. Το να το βλέπεις σε έναν κβαντικό επεξεργαστή «είναι ωραίο, αλλά κανείς δεν εκπλήσσεται».

Η πιο συναρπαστική πτυχή αυτών των πειραμάτων, σύμφωνα με τον Barkeshli, είναι η σημασία τους για τον κβαντικό υπολογισμό: Οι ερευνητές απέδειξαν επιτέλους ότι μπορούν να φτιάξουν τα απαραίτητα συστατικά, 26 χρόνια μετά την αρχική πρόταση του Kitaev. Τώρα πρέπει απλώς να καταλάβουν πώς να τους βάλουν πραγματικά να δουλέψουν.

Ένα εμπόδιο είναι ότι, όπως τα Pokémon, τα anyons έρχονται σε έναν τεράστιο αριθμό διαφορετικών ειδών, το καθένα με τα δικά του πλεονεκτήματα και αδυναμίες. Μερικοί, για παράδειγμα, έχουν πιο πλούσιες αναμνήσεις από το παρελθόν τους, κάνοντας τις πλεξούδες τους πιο ισχυρές υπολογιστικά. Αλλά είναι πιο δύσκολο να τους πείσει να υπάρχουν. Οποιοδήποτε συγκεκριμένο σχέδιο θα πρέπει να σταθμίσει τέτοιους συμβιβασμούς, πολλοί από τους οποίους δεν έχουν γίνει ακόμη κατανοητοί.

«Τώρα που έχουμε τη δυνατότητα να κάνουμε διαφορετικά είδη τοπολογικής τάξης, αυτά τα πράγματα γίνονται πραγματικά και μπορείτε να μιλήσετε για αυτές τις ανταλλαγές με πιο συγκεκριμένους όρους», είπε ο Vishwanath.

Το επόμενο ορόσημο θα είναι η πραγματική διόρθωση σφαλμάτων, την οποία ούτε η Google ούτε η Quantinuum επιχείρησαν. Τα πλεγμένα qubits τους ήταν κρυμμένα, αλλά δεν προστατεύονταν, κάτι που θα απαιτούσε τη μέτρηση των σκληρών υποκείμενων qubits και τη γρήγορη διόρθωση των σφαλμάτων τους σε πραγματικό χρόνο. Αυτή η επίδειξη θα ήταν μια στιγμή ορόσημο στον κβαντικό υπολογισμό, αλλά είναι χρόνια μακριά — αν είναι ακόμη δυνατό.

Μέχρι τότε, οι αισιόδοξοι ελπίζουν ότι αυτά τα πρόσφατα πειράματα θα ξεκινήσουν έναν κύκλο όπου οι πιο προηγμένοι κβαντικοί υπολογιστές θα οδηγούν σε καλύτερη διαχείριση των μη αβελιανών οιονεί σωματιδίων και αυτός ο έλεγχος με τη σειρά του βοηθά τους φυσικούς να αναπτύξουν πιο ικανές κβαντικές συσκευές.

«Απλώς αναδεικνύοντας τη δύναμη της μέτρησης», είπε ο Wilczek, «αυτό είναι κάτι που μπορεί να αλλάξει το παιχνίδι».