Físicos crean partículas escurridizas que recuerdan su pasado

Hace cuarenta años, Frank Wilczek estaba reflexionando sobre un extraño tipo de partícula que solo podía vivir en un universo plano. Si hubiera puesto la pluma sobre el papel y hubiera hecho los cálculos, Wilczek habría descubierto que estas partículas entonces teóricas tenían un recuerdo sobrenatural de su pasado, uno tejido demasiado profundamente en el tejido de la realidad para que cualquier perturbación lo borrara.

Sin embargo, al no ver ninguna razón por la que la naturaleza debería permitir la existencia de bestias tan extrañas, el futuro físico ganador del premio Nobel decidió no seguir sus experimentos mentales hasta sus conclusiones más extravagantes, a pesar de las objeciones de su colaborador Anthony Zee, un renombrado físico teórico de la Universidad de California, Santa Bárbara.

“Le dije: 'Vamos, Tony, la gente se va a burlar de nosotros'”, dijo Wilczek, ahora profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

Otros no eran tan reacios. Los investigadores han gastado millones de dólares durante las últimas tres décadas tratando de capturar y domar los objetos similares a partículas, que reciben el apodo críptico de anyons no abelianos.

Ahora dos experimentos emblemáticos finalmente han tenido éxito y nadie se ríe. “Este ha sido un objetivo, y ahora ha sido alcanzado”, dijo Wilczek.

Físicos que trabajan con la empresa Quantinuum anunció hoy que habían utilizado el procesador H2 de próxima generación recientemente presentado por la compañía para sintetizar y manipular anyons no abelianos en una nueva fase de la materia cuántica. Su trabajo sigue una preimpresión publicado el otoño pasado en el que los investigadores de Google celebraron el primer entrelazamiento claro de objetos no abelianos, una prueba de concepto de que la información se puede almacenar y manipular en su memoria compartida. Juntos, los experimentos flexionan el músculo cada vez mayor de los dispositivos cuánticos al tiempo que ofrecen una visión potencial del futuro de la informática: al mantener registros casi indestructibles de sus viajes a través del espacio y el tiempo, los anyons no abelianos podrían ofrecer la plataforma más prometedora para construir dispositivos tolerantes a errores. computadoras cuánticas.

“Como ciencia pura, es simplemente, guau”, dijo ady popa, un teórico de la materia condensada del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel que ha pasado su carrera estudiando los objetos. “Esto te acerca [a la computación cuántica topológica]. Pero si hay algo que nos han mostrado las últimas décadas es un camino largo y sinuoso”.

Computación plana

En 1982, Wilczek ayudó a abrir las mentes de los físicos a la colección de partículas que podrían existir en dos dimensiones. Calculó las consecuencias de limitar las leyes cuánticas a un universo hipotético completamente plano y descubrió que contendría partículas extrañas con espines y cargas fraccionarios. Además, el intercambio de partículas que de otro modo serían indistinguibles podría cambiarlas de formas que serían imposibles para sus contrapartes tridimensionales. Wilczek llamado descaradamente estas partículas bidimensionales anyons, ya que parecían ser capaces de casi cualquier cosa.

Wilczek se centró en los aniones "abelianos" más simples, partículas que, cuando se intercambian, cambian de formas sutiles que no son detectables directamente.

No llegó a explorar la opción más salvaje: anyons no abelianos, partículas que comparten una memoria. Intercambiar las posiciones de dos anyons no abelianos produce un efecto directamente observable. Cambia el estado de su función de onda compartida, una cantidad que describe la naturaleza cuántica de un sistema. Si te topas con dos aniones idénticos no abelianos, al medir en qué estado se encuentran, puedes saber si siempre han estado en esas posiciones o si se han cruzado, un poder que ninguna otra partícula puede reclamar.

Para Wilczek, esa noción parecía demasiado fantástica para convertirse en una teoría formal. "¿Qué tipo de estados de la materia respaldan esos?" recordó haber pensado.

Pero en 1991, dos físicos identificó esos estados. Predijeron que, cuando se someten a campos magnéticos lo suficientemente fuertes y temperaturas lo suficientemente frías, los electrones adheridos a una superficie se arremolinarían juntos de la manera correcta para formar anyones no abelianos. Los anyons no serían partículas fundamentales, nuestro mundo 3D lo prohíbe, pero "cuasipartículas.” Estas son colecciones de partículas, pero es mejor pensar en ellas como unidades individuales. Las cuasipartículas tienen ubicaciones y comportamientos precisos, al igual que las colecciones de moléculas de agua producen olas y remolinos.

En 1997, Alexei Kitaev, teórico del Instituto de Tecnología de California, señaló que tales cuasipartículas podrían sentar las bases perfectas para las computadoras cuánticas. Los físicos han salivado durante mucho tiempo ante la posibilidad de aprovechar el mundo cuántico para realizar cálculos más allá del alcance de las computadoras típicas y sus bits binarios. Pero los qubits, los componentes básicos atómicos de las computadoras cuánticas, son frágiles. Sus funciones de onda colapsan con el toque más ligero, borrando sus recuerdos y su capacidad para realizar cálculos cuánticos. Esta debilidad tiene ambiciones complicadas de controlar los qubits el tiempo suficiente para que puedan terminar cálculos largos.

Kitaev se dio cuenta de que la memoria compartida de anyons no abelianos podría servir como un qubit ideal. Para empezar, era maleable. Puede cambiar el estado del qubit, cambiando un cero a uno, intercambiando las posiciones de los anyons de una manera conocida como "trenzado".

También puede leer el estado del qubit. Cuando los anyons no abelianos más simples se juntan y “fusionan”, por ejemplo, emitirán otra cuasipartícula solo si han sido trenzados. Esta cuasipartícula sirve como registro físico de su viaje entrecruzado a través del espacio y el tiempo.

Y lo que es más importante, la memoria también es casi incorruptible. Siempre que los aniones se mantengan separados, tocar cualquier partícula individual no cambiará el estado en el que se encuentra el par, ya sea cero o uno. De esta forma, su memoria colectiva queda efectivamente aislada de la cacofonía del universo.

“Este sería el lugar perfecto para ocultar información”, dijo Maissam Barkeshli, un teórico de la materia condensada de la Universidad de Maryland.

Electrones rebeldes

La propuesta de Kitaev se conoció como computación cuántica "topológica" porque se basaba en la topología de las trenzas. El término se refiere a las características generales de la trenza, por ejemplo, la cantidad de vueltas, que no se ven afectadas por ninguna deformación específica de su trayectoria. La mayoría de los investigadores ahora creen que las trenzas son el futuro de la computación cuántica, de una forma u otra. Microsoft, por ejemplo, tiene investigadores que intentan persuadir a los electrones para que formen anyons no abelianos directamente. La compañía ya ha invertido millones de dólares en la construcción de cables diminutos que, a temperaturas lo suficientemente frías, deberían albergar las especies más simples de cuasipartículas trenzables en sus puntas. La expectativa es que a estas bajas temperaturas, los electrones se reúnan naturalmente para formar anyons, que a su vez se pueden trenzar en qubits confiables.

Sin embargo, después de una década de esfuerzos, esos investigadores todavía están luchando por probar que su enfoque funcionará. Una llamativa afirmación de 2018 de que finalmente habían detectado el tipo más simple de cuasipartícula no abeliana, conocida como "modos Majorana cero", fue seguida por una retractación de alto perfil similar en 2021. La compañía informó un nuevo progreso en un preimpresión de 2022, pero pocos investigadores independientes esperan ver un trenzado exitoso pronto.

Esfuerzos similares para convertir electrones en anyones no abelianos también se han estancado. Bob Willett de Nokia Bell Labs ha probablemente sea lo más cercano en sus intentos de acorralar electrones en arseniuro de galio, donde signos prometedores pero sutiles de trenzado existen. Sin embargo, los datos son confusos y la temperatura ultrafría, los materiales ultrapuros y los campos magnéticos ultrafuertes hacen que el experimento sea difícil de reproducir.

“Ha habido una larga historia de no observar nada”, dijo Eun Ah Kim de la Universidad de Cornell.

Sin embargo, disputar electrones no es la única forma de hacer cuasipartículas no abelianas.

“Me había dado por vencido con todo esto”, dijo Kim, quien pasó años ideando formas de detectar a cualquier persona como estudiante de posgrado y ahora colabora con Google. “Luego vinieron los simuladores cuánticos”.

Qubits compatibles

Los procesadores cuánticos están cambiando la búsqueda de anyons. En lugar de tratar de persuadir a las hordas de electrones para que se alineen, en los últimos años los investigadores han comenzado a usar los dispositivos para doblar qubits individuales a su voluntad. Algunos físicos consideran simulaciones de estos esfuerzos, porque los qubits dentro del procesador son abstracciones de partículas (mientras que su naturaleza física varía de un laboratorio a otro, puede visualizarlos como partículas girando alrededor de un eje). Pero la naturaleza cuántica de los qubits es real, por lo que, simulaciones o no, los procesadores se han convertido en patios de recreo para experimentos topológicos.

“Le da nueva vida” al campo, dijo Fiona Burnell, un teórico de la materia condensada de la Universidad de Minnesota, "porque ha sido muy difícil crear sistemas de estado sólido".

Sintetizar anyons en procesadores cuánticos es una forma alternativa de aprovechar el poder de las trenzas de Kitaev: acepte que sus qubits son mediocres y corrija sus errores. Los qubits de mala calidad de hoy en día no funcionan por mucho tiempo, por lo que cualquiera construido a partir de ellos también tendría una vida útil corta. El sueño es medir rápida y repetidamente grupos de qubits y corregir errores a medida que surgen, extendiendo así la vida útil de los anyons. La medición borra la información cuántica de un qubit individual colapsando su función de onda y convirtiéndola en un bit clásico. Eso también sucedería aquí, pero la información importante permanecería intocable, escondida en el estado colectivo de muchos anyons. De esta forma, Google y otras empresas esperan apuntalar los qubits con mediciones rápidas y correcciones rápidas (en lugar de bajas temperaturas).

“Desde Kitaev”, dijo mike zaletel, un físico de materia condensada de la Universidad de California, Berkeley, "esta ha sido la forma en que la gente cree que la corrección de errores cuánticos probablemente funcionará".

Google tomó un paso importante hacia la corrección de errores cuánticos en la primavera de 2021, cuando los investigadores ensamblaron alrededor de dos docenas de qubits en la cuadrícula más simple capaz de corregir errores cuánticos, una fase de la materia conocida como código tórico.

Crear el código tórico en el procesador de Google equivale a obligar a cada qubit a cooperar estrictamente con sus vecinos empujándolos suavemente con pulsos de microondas. Si no se mide, un qubit apunta a una superposición de muchas direcciones posibles. El procesador de Google redujo efectivamente esas opciones al hacer que cada qubit coordine su eje de giro con sus cuatro vecinos de maneras específicas. Si bien el código tórico tiene propiedades topológicas que se pueden usar para la corrección de errores cuánticos, no alberga cuasipartículas no abelianas de forma nativa. Para eso, Google tuvo que recurrir a un extraño truco muy conocido para los teóricos: ciertas imperfecciones en la cuadrícula de qubits, denominadas "defectos de torsión", pueden adquirir magia no abeliana.

El otoño pasado, Kim y Yuri Lensky, un teórico de Cornell, junto con investigadores de Google, publicaron una receta para haciendo fácilmente y trenzando pares de defectos en el código tórico. En una preimpresión publicada poco después, los experimentadores de Google informó la implementación esa idea, que implicaba cortar las conexiones entre qubits vecinos. Los defectos resultantes en la cuadrícula de qubit actuaron como la especie más simple de cuasipartícula no abeliana, los modos cero de Majorana de Microsoft.

“Mi reacción inicial fue 'Guau, Google acaba de simular lo que Microsoft está tratando de construir. Fue un verdadero momento de flexión”, dijo tyler ellison, físico de la Universidad de Yale.

Ajustando qué conexiones cortan, los investigadores pudieron mover las deformaciones. Hicieron dos pares de defectos no abelianos, y al deslizarlos alrededor de un tablero de ajedrez de cinco por cinco qubits, apenas lograron una trenza. Los investigadores se negaron a comentar sobre su experimento, que se está preparando para su publicación, pero otros expertos elogiaron el logro.

“En mucho de mi trabajo, he estado haciendo garabatos con imágenes similares”, dijo Ellison. “Es increíble ver que realmente demostraron esto”.

Pintura por Medida

Mientras tanto, un grupo de teóricos encabezados por Ashvin Vishwanath en la Universidad de Harvard perseguía silenciosamente lo que muchos consideran un objetivo aún más elevado: crear una fase más complicada de la materia cuántica donde los verdaderos anyons no abelianos, a diferencia de los defectos, surgen de forma nativa en una fase prístina de la materia. “El defecto [de Google] es una especie de bebé no abeliano”, dijo Burnell, quien no participó en ninguno de los esfuerzos.

Los anyones de ambos tipos viven en fases de la materia con una naturaleza topológica definida por intrincados tapices de hilos de gasa, conexiones cuánticas conocidas como enredo. Las partículas entrelazadas se comportan de manera coordinada, y cuando billones de partículas se entrelazan, pueden ondular en fases complicadas que a veces se asemejan a bailes. En fases con orden topológico, el entrelazamiento organiza las partículas en bucles de espines alineados. Cuando se corta un bucle, cada extremo es un anyon.

El orden topológico viene en dos sabores. Las fases simples como el código tórico tienen "orden abeliano". Allí, los cabos sueltos son anyons abelianos. Pero los investigadores que buscan anyons no abelianos verdaderos tienen la vista puesta en un tapiz completamente diferente y mucho más complicado con el orden no abeliano.

El grupo de Vishwanath ayudó a preparar un fase con orden abeliano en 2021. Soñaban con ir más allá, pero unir qubits en patrones de entrelazamiento no abelianos resultó ser demasiado complicado para los procesadores inestables de hoy. Así que el equipo buscó en la literatura nuevas ideas.

Encontraron una pista en un par of papeles desde décadas antes. La mayoría de los dispositivos cuánticos calculan masajeando sus qubits como si se esponjara una almohada, de una manera suave sin que el relleno salga volando por las costuras. Tejer cuidadosamente el enredo a través de estas operaciones "unitarias" lleva tiempo. Pero a principios de la década de 2000, Robert Raussendorf, un físico que ahora trabaja en la Universidad de Columbia Británica, encontró un atajo. El secreto consistía en eliminar fragmentos de la función de onda mediante la medición, el proceso que normalmente elimina los estados cuánticos.

“Es una operación realmente violenta”, dijo ruben verresen, uno de los colaboradores de Vishwanath en Harvard.

Raussendorf y sus colaboradores detallaron cómo las mediciones selectivas en ciertos qubits podrían tomar un estado desenredado e intencionalmente ponerlo en un estado entrelazado, un proceso que Verresen compara con cortar mármol para esculpir una estatua.

La técnica tenía un lado oscuro que inicialmente condenó los intentos de los investigadores de hacer fases no abelianas: la medición produce resultados aleatorios. Cuando los teóricos se enfocaron en una fase en particular, las mediciones dejaron manchas no abelianas al azar, como si los investigadores estuvieran tratando de pintar la Mona Lisa salpicando pintura sobre un lienzo. “Parecía un completo dolor de cabeza”, dijo Verresen.

Hacia fines de 2021, el grupo de Vishwanath encontró una solución: esculpir la función de onda de una cuadrícula de qubit con múltiples rondas de medición. Con la primera ronda, convirtieron una fase aburrida de la materia en una simple fase abeliana. Luego, alimentaron esa fase hacia adelante en una segunda ronda de mediciones, cincelándola aún más en una fase más complicada. Al jugar este juego de la cuna del gato topológico, se dieron cuenta de que podían abordar la aleatoriedad mientras avanzaban paso a paso, subiendo una escalera de fases cada vez más complicadas para llegar a una fase con orden no abeliano.

“En lugar de probar mediciones al azar y ver lo que obtienes, quieres saltar a través del paisaje de las fases de la materia”, dijo Verresen. Es un paisaje topológico que los teóricos han descubierto recientemente. comenzado a entender.

El verano pasado, el grupo puso a prueba su teoría en el procesador de iones atrapados H1 de Quantinuum, uno de los únicos dispositivos cuánticos que pueden realizar mediciones sobre la marcha. Al igual que el grupo de Google, ellos hizo el código tórico abeliano y trenzado sus defectos no abelianos. Intentaron una fase no abeliana pero no pudieron llegar con solo 20 qubits.

Pero luego, un investigador de Quantinuum, Henrik Dreyer, se llevó a Verresen a un lado. Después de jurarle guardar el secreto con un acuerdo de confidencialidad, le dijo a Verresen que la empresa tenía un dispositivo de segunda generación. Crucialmente, el H2 tenía la friolera de 32 qubits. Tomó mucho esfuerzo, pero el equipo logró configurar la fase no abeliana más simple en 27 de esos qubits. “Si tuviéramos uno o dos qubits menos, no creo que hubiéramos podido hacerlo”, dijo Vishwanath.

Sus experimentos marcaron la primera detección inexpugnable de una fase no abeliana de la materia. “Realizar un orden topológico no abeliano es algo que la gente ha querido hacer durante mucho tiempo”, dijo Burnell. “Eso es definitivamente un hito importante”.

Su trabajo culminó con el trenzado de tres pares de aniones no abelianos de modo que sus trayectorias a través del espacio y el tiempo formaran un patrón conocido como anillos borromeos, el primer trenzado de aniones no abelianos. Tres anillos borromeos son inseparables cuando están juntos, pero si cortas uno, los otros dos se desmoronarán.

“Hay una especie de factor gee-whiz”, dijo Wilczek. "Se necesita un enorme control del mundo cuántico para producir estos objetos cuánticos".

The Big Chill

Mientras otros físicos celebran estos hitos, también enfatizan que Google y Quantinuum están corriendo una carrera diferente a la de Microsoft y Willett. Crear fases topológicas en un procesador cuántico es como hacer el cubo de hielo más pequeño del mundo apilando unas pocas docenas de moléculas de agua: impresionante, dicen, pero no tan satisfactorio como ver cómo se forma una losa de hielo de forma natural.

“La matemática subyacente es extremadamente hermosa, y poder validar eso definitivamente vale la pena”, dijo Chetán Nayak, un investigador de Microsoft que ha realizado un trabajo pionero en sistemas no abelianos. Pero por su parte, dijo, todavía espera ver que un sistema se establezca en un estado con este tipo de patrón de enredo intrincado por sí solo cuando se enfríe.

“Si esto se viera sin ambigüedades en [los experimentos de Willett], nos sorprendería”, dijo Barkeshli. Verlo en un procesador cuántico "es genial, pero nadie se sorprende".

El aspecto más emocionante de estos experimentos, según Barkeshli, es su importancia para la computación cuántica: los investigadores finalmente han demostrado que pueden fabricar los ingredientes necesarios, 26 años después de la propuesta inicial de Kitaev. Ahora solo necesitan descubrir cómo ponerlos realmente a trabajar.

Un inconveniente es que, al igual que los Pokémon, los anyons vienen en una gran cantidad de especies diferentes, cada una con sus propias fortalezas y debilidades. Algunos, por ejemplo, tienen recuerdos más ricos de su pasado, lo que hace que sus trenzas sean más poderosas desde el punto de vista computacional. Pero persuadirlos para que existan es más difícil. Cualquier esquema específico tendrá que sopesar tales compensaciones, muchas de las cuales aún no se comprenden.

“Ahora que tenemos la capacidad de hacer diferentes tipos de orden topológico, estas cosas se vuelven reales y se puede hablar de estas compensaciones en términos más concretos”, dijo Vishwanath.

El próximo hito será la corrección de errores reales, que ni Google ni Quantinuum intentaron. Sus qubits trenzados estaban ocultos pero no protegidos, lo que habría requerido medir los qubits subyacentes de mala calidad y corregir rápidamente sus errores en tiempo real. Esa demostración sería un punto de inflexión en la computación cuántica, pero está a años de distancia, si es que es posible.

Hasta entonces, los optimistas esperan que estos experimentos recientes inicien un ciclo en el que las computadoras cuánticas más avanzadas conduzcan a un mejor control sobre las cuasipartículas no abelianas, y ese control a su vez ayude a los físicos a desarrollar dispositivos cuánticos más capaces.

"Solo sacar a relucir el poder de la medición", dijo Wilczek, "eso es algo que podría cambiar las reglas del juego".