تانسور هندسی در یک مدار کوانتومی ابررسانا اندازه گیری می شود

محققان دانشگاه نانجینگ چین از یک تراشه کوانتومی ابررسانا برای شبیه سازی سیستمی از ذرات که نه فرمیون هستند و نه بوزون استفاده کرده اند. به عنوان بخشی از این شبیه‌سازی، آن‌ها پارامتری به نام تانسور هندسی کوانتومی را اندازه‌گیری کردند که اطلاعات محلی درباره ویژگی‌های توپولوژیکی سیستم ارائه می‌دهد. این کار برای اولین بار است که این کمیت در یک سیستم به اصطلاح غیر آبلی اندازه گیری می شود - نتیجه ای که برای مطالعه فیزیک سیستم های پیچیده مانند مواد توپولوژیکی مفید خواهد بود.

بر اساس مکانیک کوانتومی و نظریه میدان کوانتومی، همه ذرات بنیادی به یکی از دو گروه تقسیم می‌شوند: فرمیون‌ها یا بوزون‌ها. فرمیون‌هایی مانند الکترون‌ها از اصل طرد پائولی پیروی می‌کنند، به این معنی که هیچ دو فرمیونی نمی‌توانند حالت کوانتومی یکسانی را اشغال کنند. این تمایل به فرار از یکدیگر در قلب طیف گسترده ای از پدیده ها، از جمله ساختار الکترونیکی اتم ها، پایداری ستارگان نوترونی و تفاوت بین فلزات (که جریان الکتریکی را هدایت می کنند) و عایق ها (که نمی کنند) است. از سوی دیگر، بوزون‌هایی مانند فوتون‌ها تمایل دارند با هم گروه شوند - چیزی که وقتی بوزون‌های زیادی در یک حالت کوانتومی وجود دارند، باعث ایجاد رفتارهای ابرسیال و ابررسانا می‌شود.

نه یک چیز و نه چیز دیگر

با این حال، برخی از مواد حاوی انواع دیگری از ذرات بنیادی هستند. این ذرات غیر آبلی نه بوزون هستند و نه فرمیون. در عوض، آن‌ها از ذرات مرکب مانند الکترون‌های با تعامل قوی تشکیل شده‌اند که ویژگی‌های منحصربه‌فردی را ایجاد می‌کند. یکی انحطاط است، به این معنی که ذرات غیر آبلی در چندین حالت کوانتومی ممکن است در یک انرژی قرار گیرند. به طور خاص، بسیاری از حالت‌های کوانتومی می‌توانند پایین‌ترین سطح انرژی را اشغال کنند و یک حالت پایه منحط را تشکیل دهند. چنین حالت هایی در برابر اغتشاشات در محیط خود مقاوم هستند زیرا حالت های پایه منحط با یک شکاف انرژی از حالت های هیجان زده و با انرژی بالاتر جدا می شوند.

یکی دیگر از ویژگی‌های کلیدی ذرات غیرآبلی این است که تبادل دو تا از آنها سیستم را بین حالت‌های پایه مختلف تغییر می‌دهد. یانگ یو توضیح می دهد: "اگر یک سری تبادلات با نظم خاصی انجام شود، وضعیت نهایی سیستم به این ترتیب بستگی دارد، که نشان می دهد این دستکاری مستقل از جزئیاتی مانند تعامل بین ذرات یا محیط است." مطالعه را رهبری کرد. همه اینها چنین سیستم هایی را کاندیدای ایده آل برای محاسبات کوانتومی توپولوژیکی می کند. با این حال، مشکل این است که درک و توصیف یک سیستم غیر آبلی در یک آزمایش دنیای واقعی دشوار است.

در سیستم‌های غیرآبلی، تانسور هندسی کوانتومی ساختار ریاضی پیچیده‌تری نسبت به سیستم‌های بوزون‌ها و فرمیون‌ها دارد و به همین ترتیب، پدیده‌های فیزیک بیشتری را در بر می‌گیرد. در حالی که محققان در سال‌های اخیر تانسور هندسی کوانتومی سیستم‌های آبلی (شامل مدارهای کوانتومی ابررسانا و سکوهای مرکز فضای خالی نیتروژن) را اندازه‌گیری کرده‌اند، قبلاً این کار را برای سیستم‌های غیرآبلی انجام نداده بودند.

چهار کیوبیت ابررسانا قابل تنظیم

در کار جدید، یو و همکارانش سیستمی متشکل از چهار بیت کوانتومی ابررسانا قابل تنظیم (کیوبیت) را مطالعه کردند که در ساختار حلقه‌ای مونتاژ شده و به یکدیگر متصل شده بودند. یو توضیح می‌دهد: «با تعدیل فرکانس کیوبیت به‌سرعت و دوره‌ای، می‌توانیم آزادانه بزرگی و فاز قدرت جفت بین کیوبیت‌های همسایه و در نتیجه یک سیستم غیرآبلی را طراحی کنیم که ویژگی‌های هندسی آن را می‌توانیم کشف کنیم». او می گوید: «و با تعدیل صحیح پارامترهای آن، می توانیم کل تانسور هندسی کوانتومی را از الگوهای نوسان بین حالت های کوانتومی سیستم استخراج کنیم. دنیای فیزیک.

محققان می گویند که کار حاضر نشان می دهد که یک تراشه کوانتومی ابررسانا یک پلت فرم عالی برای شبیه سازی کوانتومی است. آنها اکنون امیدوارند سیستم های کوانتومی پیچیده تری را شبیه سازی کنند و فیزیک جدید را با کیوبیت های بیشتری کشف کنند.

آنها نتایج خود را در گزارش می کنند حروف فیزیک چینی.