A fizikusok megfoghatatlan részecskéket hoznak létre, amelyek emlékeznek a múltjukra

Negyven évvel ezelőtt Frank Wilczek egy bizarr típusú részecsketípuson gondolkodott, amely csak egy lapos univerzumban élhet. Ha tollat ​​húzott volna papírra, és elvégezte volna a számításokat, Wilczek rájött volna, hogy ezek az akkor még elméleti részecskék túlvilági emléket őriztek múltjukról, amely túlságosan is bele volt szőve a valóság szövetébe ahhoz, hogy bármilyen zavar kitörölhesse.

A leendő Nobel-díjas fizikus azonban nem látta semmi okát annak, hogy a természet megengedje az ilyen furcsa állatok létezését, ezért úgy döntött, hogy nem követi gondolatkísérleteit azok legkülönösebb következtetéseiig – annak ellenére, hogy munkatársa, Anthony Zee, a világhírű elméleti fizikus tiltakozott. Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara.

„Azt mondtam: „Gyerünk, Tony, az emberek gúnyolódni fognak rajtunk” – mondta Wilczek, jelenleg a Massachusetts Institute of Technology professzora.

Mások nem voltak annyira vonakodva. A kutatók az elmúlt három évtizedben dollármilliókat költöttek arra, hogy megragadják és megszelídítsék azokat a részecskeszerű tárgyakat, amelyeket nem Abel-féle anyonok rejtélyes becenévvel illetnek.

Most végre sikerült két mérföldkőnek számító kísérlet, és senki sem nevet. "Ez volt a cél, és most eltalálták" - mondta Wilczek.

A Quantinuum céggel dolgozó fizikusok bejelentette, hogy a cég újonnan bemutatott, következő generációs H2 processzorát használták arra szintetizálni és manipulálni nem-abeli anyonokat a kvantumanyag egy új fázisában. Munkájuk következik egy előnyomat Tavaly ősszel tette közzé, amelyben a kutatók a Google-lal ünnepelték a nem Abel-féle objektumok első egyértelmű összefonódását, ami annak bizonyítéka, hogy az információ tárolható és manipulálható közös memóriájukban. A kísérletek együttesen megfeszítik a kvantumeszközök növekvő izomzatát, miközben potenciális bepillantást nyújtanak a számítástechnika jövőjébe: Ha szinte elpusztíthatatlan nyilvántartást vezetnek térben és időben tett utazásairól, a nem Abel-féle bárki a legígéretesebb platformot kínálhatja a hibatűrő építkezéshez. kvantumszámítógépek.

„Tiszta tudományként ez csak, hú” – mondta Ady Stern, az izraeli Weizmann Tudományos Intézet sűrített anyag-elmélete, aki pályafutását a tárgyak tanulmányozásával töltötte. „Ez közelebb visz [a topológiai kvantumszámításhoz]. De ha valamit az elmúlt évtizedek megmutattak nekünk, az egy hosszú és kanyargós út.”

Flatland Computing

1982-ben Wilczek segített megnyitni a fizikusok elméjét a két dimenzióban létező részecskék menazsériája előtt. Kidolgozta annak következményeit, ha a kvantumtörvényeket egy hipotetikus, teljesen lapos univerzumra korlátozzák, és megállapította, hogy az furcsa részecskéket tartalmazna töredékpörgésekkel és töltésekkel. Sőt, az egyébként megkülönböztethetetlen részecskék felcserélése olyan módon változtathatja meg őket, ami lehetetlen volt háromdimenziós megfelelőik számára. Wilczek szemtelenül elnevezett ezek a kétdimenziós részecskék, mert úgy tűnt, szinte bármire képesek.

Wilczek a legegyszerűbb „abeli” anyonokra összpontosított, azokra a részecskékre, amelyek cseréjekor olyan finom módokon változnak, amelyek közvetlenül nem észlelhetők.

Nem kutatta a vadabb lehetőséget – nem-abeli anyonokat, olyan részecskéket, amelyeknek közös emlékük van. Két nem-abeli anyon pozíciójának felcserélése közvetlenül megfigyelhető hatást eredményez. Átkapcsolja a megosztott hullámfüggvény állapotát, amely mennyiség leírja a rendszer kvantumtermészetét. Ha két egyforma nem-abel anyonba botlik, megmérve, hogy melyik állapotban vannak, meg tudod állapítani, hogy mindig is ebben a pozícióban voltak-e, vagy keresztezték-e az útjaikat – ez az erő, amelyre más részecske nem hivatkozhat.

Wilczek számára ez az elképzelés túl fantasztikusnak tűnt ahhoz, hogy formális elméletté fejlődjön. – Milyen halmazállapotok támogatják ezeket? – emlékezett a gondolkodásra.

De 1991-ben két fizikus azonosította azokat az államokat. Azt jósolták, hogy ha elég erős mágneses mezőknek és elég hideg hőmérsékletnek vannak kitéve, a felülethez tapadt elektronok a megfelelő módon örvénylődnek össze, hogy nem Abel-féle anyonokat képezzenek. Az anyonok nem alapvető részecskék lennének – a mi 3D-s világunk ezt tiltja –, de „kvázi részecskék.” Ezek részecskék gyűjteményei, de a legjobb, ha egyedi egységnek tekintjük őket. A kvázirészecskéknek pontos helyük és viselkedésük van, ahogyan a vízmolekulák gyűjteményei hullámokat és örvénylőket hoznak létre.

1997-ben Alekszej Kitaev, a California Institute of Technology teoretikusa rámutatott arra, hogy az ilyen kvázirészecskék tökéletes alapot teremthetnek a kvantumszámítógépekhez. A fizikusok régóta keresik a lehetőséget, hogy a kvantumvilágot olyan számítások elvégzésére használják fel, amelyek a tipikus számítógépek és bináris bitjeik által nem elérhetőek. De a qubitek, a kvantumszámítógépek atomszerű építőkövei törékenyek. Hullámfunkcióik a legkönnyebb érintésre összeomlanak, kitörölve emlékeiket és kvantumszámítási képességüket. Ennek a gyengeségnek bonyolult ambíciói vannak a kvbitek elég hosszú vezérlésére ahhoz, hogy befejezzék a hosszadalmas számításokat.

Kitaev rájött, hogy a nem Abel-féle anyák közös emlékezete ideális qubitként szolgálhat. Kezdetnek képlékeny volt. Megváltoztathatja a qubit állapotát – nullát egyre forgatva – az anyonok pozíciójának „fonatozásként” ismert módon történő cseréjével.

Kiolvashatja a qubit állapotát is. Amikor például a legegyszerűbb, nem Abel-féle anyonokat összehozzuk és „összeolvadnak”, csak akkor bocsátanak ki újabb kvázirészecskét, ha összefonják őket. Ez a kvázi részecske fizikai feljegyzésként szolgál a térben és időben átívelő, keresztezett utazásukról.

És ami döntő, az emlékezet is közel megvesztegethetetlen. Mindaddig, amíg az anyonok távol vannak egymástól, az egyes részecskék megbökése nem változtatja meg a pár állapotát – legyen az nulla vagy egy. Ily módon kollektív emlékezetüket hatékonyan elvágják az univerzum kakofóniájától.

"Ez a tökéletes hely lenne az információk elrejtésére" - mondta Maissam Barkeshli, a Marylandi Egyetem sűrített anyag-elmélete.

Irgalmatlan elektronok

Kitaev javaslata „topológiai” kvantumszámításként vált ismertté, mivel a fonatok topológiájára támaszkodott. A kifejezés a zsinór tág jellemzőit jelenti – például a fordulatok számát –, amelyeket nem befolyásol az útvonaluk konkrét deformációja. A legtöbb kutató most úgy véli, hogy a zsinórok jelentik a kvantum-számítástechnika jövőjét, ilyen vagy olyan formában. A Microsoft például kutatókat próbál rávenni az elektronokra, hogy közvetlenül alkossanak nem-abeli anyonokat. A cég már most is több millió dollárt fektetett be olyan apró vezetékek megépítésébe, amelyeknek – kellően hideg hőmérsékleten – a legegyszerűbb fonható kvázirészecskék csúcsai lehetnek. Az elvárás az, hogy ezeken az alacsony hőmérsékleteken az elektronok természetesen összegyűljenek, hogy anyonokat képezzenek, amelyek viszont megbízható qubitekké fonhatók.

Egy évtizednyi erőfeszítés után azonban ezek a kutatók még mindig bizonyítással küzd hogy a megközelítésük működni fog. Egy 2018-as feltűnő állítást, miszerint végre észlelték a nem Abel-féle kvázirészecskék legegyszerűbb típusát, az úgynevezett „Majorana zéró módokat”, 2021-ben egy hasonlóan nagy horderejű visszahúzás követte. A vállalat új előrelépésről számolt be. 2022-es előnyomás, de kevés független kutató számít arra, hogy hamarosan sikeres fonás készül.

Az elektronok nem-abeli anyonokká alakítására irányuló hasonló erőfeszítések szintén megakadtak. Bob Willett, a Nokia Bell Labs munkatársa rendelkezik valószínűleg jön a legközelebb az elektronok gallium-arzenidben való megszorítására tett kísérleteiben, ahol ígéretes, de finom jelek a zsinórozás létezik. Az adatok azonban zavarosak, és az ultrahideg hőmérséklet, az ultratiszta anyagok és az ultraerős mágneses mezők miatt a kísérlet nehezen reprodukálható.

„Hosszú története volt annak, hogy semmit sem figyeltek meg” – mondta Eun-Ah Kim a Cornell Egyetemről.

Nem az elektronok forgatásával lehet azonban nem Abel-féle kvázirészecskéket előállítani.

„Mindenről lemondtam” – mondta Kim, aki végzős hallgatóként évekig dolgozott azon, hogy bárkit észleljen, és most együttműködik a Google-lal. – Aztán jöttek a kvantumszimulátorok.

Megfelelő Qubits

A kvantumprocesszorok megváltoztatják a vadászatot bárkire. Az utóbbi években a kutatók ahelyett, hogy elektronhordákat próbáltak volna rávenni a sorba, az eszközöket arra kezdték használni, hogy akaratuk szerint hajlítsák az egyes qubiteket. Egyes fizikusok ezeket az erőfeszítéseket szimulációnak tekintik, mivel a processzoron belüli qubitek részecskék absztrakciói (miközben fizikai természetük laboratóriumonként változik, egy tengely körül forgó részecskékként képzelheti el őket). De a qubitek kvantumtermészete valós, így – szimulációk vagy sem – a processzorok a topológiai kísérletek játszótereivé váltak.

„Új életet lehel” a mezőbe – mondta Fiona Burnell, a Minnesotai Egyetem sűrített anyag-elmélete, „mert olyan nehéz volt szilárdtestrendszereket létrehozni”.

Az anyonok kvantumprocesszorokon történő szintetizálása egy alternatív módja Kitaev zsinórjainak erejének kiaknázására: Fogadd el, hogy a qubitjeid közepesek, és javítsd ki a hibáikat. A mai silány qubitek nem működnek túl sokáig, így a belőlük építettek élettartama is rövid lenne. Az álom az, hogy gyorsan és ismételten megmérjük a qubit-csoportokat, és kijavítsuk a hibákat, amint felbukkannak, meghosszabbítva ezzel az anyonok élettartamát. A mérés törli az egyedi qubit kvantuminformációit azáltal, hogy összeomlik a hullámfüggvényét, és klasszikus bitté alakítja. Ez itt is megtörténne, de a fontos információk érinthetetlenek maradnának - sok bárki kollektív állapotában elrejtve. Ily módon a Google és más cégek azt remélik, hogy gyors mérésekkel és gyors korrekciókkal (az alacsony hőmérsékletekkel szemben) megerősítik a qubiteket.

– Kitaev óta – mondta Mike Zaletel, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem kondenzált anyag fizikusa szerint „az emberek úgy gondolják, hogy a kvantumhiba-javítás valószínűleg így fog működni”.

A Google vette jelentős lépés A kvantumhiba-javítás felé 2021 tavaszán, amikor a kutatók körülbelül két tucat qubitet állítottak össze a kvantumhiba-javításra alkalmas legegyszerűbb rácsmá, az anyag tórikus kódként ismert fázisává.

A tórikus kód létrehozása a Google processzorán azt jelenti, hogy minden qubitet arra kényszerítenek, hogy szigorúan együttműködjenek szomszédaival, finoman megbökve őket mikrohullámú impulzusokkal. Ha nem mérjük, egy qubit sok lehetséges irány szuperpozíciójára mutat. A Google processzora hatékonyan csökkenti ezeket a lehetőségeket azáltal, hogy minden qubit meghatározott módon koordinálja a spin tengelyét a négy szomszédjával. Míg a tórikus kód topológiai tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek kvantumhiba-javításra használhatók, natív módon nem tartalmaz nem Abel-féle kvázirészecskéket. Ehhez a Google-nak egy furcsa trükkhöz kellett fordulnia régóta ismert a teoretikusoknak: a qubitek rácsának bizonyos tökéletlenségei, amelyeket „csavarhibáknak” neveznek, nem-abeli varázslatot szerezhetnek.

Tavaly ősszel Kim és Jurij Lensky, a Cornell teoretikusa a Google kutatóival együtt közzétett egy receptet könnyen elkészíthető és hibapárok fonása a tórikus kódban. Röviddel ezután közzétett előnyomatban a Google kísérletezői megvalósításáról számolt be ez az ötlet, amely magában foglalta a szomszédos qubitek közötti kapcsolatok megszakítását. A qubit rács ebből eredő hibái ugyanúgy működtek, mint a legegyszerűbb nem Abel-féle kvázirészecskék, a Microsoft Majorana nullamódjai.

„Az első reakcióm az volt: „Hűha, a Google csak szimulálta, amit a Microsoft építeni próbál. Igazi lendületes pillanat volt” – mondta Tyler Ellison, a Yale Egyetem fizikusa.

Az elvágott csatlakozások beállításával a kutatók elmozdíthatták a deformációkat. Csináltak két pár nem-abeli hibát, és egy ötszer öt qubites sakktábla körül csúsztatva alig húztak ki egy fonatot. A kutatók nem kívántak kommentálni a publikálásra készülő kísérletüket, de más szakértők dicsérték az eredményt.

„Sok munkám során hasonló kinézetű képeket firkáltam” – mondta Ellison. "Elképesztő látni, hogy ezt valóban bemutatták."

Festés mérés szerint

Mindeközben elméleti szakemberek egy csoportja haladt mellette Ashvin Vishwanath A Harvard Egyetemen csendben azt a célt követte, amit sokan még magasztosabbnak tartanak: a kvantumanyag bonyolultabb fázisának létrehozását, ahol a valódi nem-abeli anyák – a defektusokkal szemben – natívan az anyag érintetlen fázisában keletkeznek. "A [Google] hibája egyfajta csecsemő, nem Abel-féle dolog" - mondta Burnell, aki egyik erőfeszítésben sem vett részt.

Bármelyik mindkét típusból az anyag olyan fázisaiban él, amelyek topologikus természetűek, és amelyeket gossamer szálak bonyolult kárpitjai határoznak meg, az úgynevezett kvantumkapcsolatok. összefonódás. Az összegabalyodott részecskék összehangoltan viselkednek, és amikor több billió részecskék összegabalyodnak, bonyolult fázisokban hullámzanak, amihez néha hasonlítanak. táncok. A topológiai sorrendű fázisokban az összefonódás a részecskéket igazított forgási hurokba rendezi. Amikor egy hurkot elvágunk, minden vége egy anyon.

A topológiai sorrendnek két íze van. Az olyan egyszerű fázisok, mint a tórikus kód, „abeli-rendűek”. Ott a laza végek abeli anyonok. Ám az igazi nem-abeli bárkit kereső kutatók egy teljesen más és sokkal bonyolultabb, nem-abeli rendű kárpitra vetik a szemüket.

Vishwanath csoportja segített főzni a fázis Abel-renddel 2021-ben. Arról álmodoztak, hogy tovább menjenek, de a qubit-ek összefűzése nem-abel-féle összefonódási mintákba túl bonyolultnak bizonyult a mai instabil processzorok számára. Így hát a stáb átkutatta a szakirodalmat friss ötletek után.

Nyomot találtak a pár of papírok évtizedekkel ezelőttről. A legtöbb kvantumeszköz úgy számol, hogy a kubitjeit úgy masszírozza, mint a párnát, gyengéden, ahol a varratokon nem repül ki a tömés. A gondos összefonódás ezekkel az „egységes” műveletekkel időt vesz igénybe. A 2000-es évek elején azonban Robert Raussendorf, a British Columbia Egyetem fizikusa eltalált egy parancsikont. A titok az volt, hogy a hullámfüggvény darabjait mérés segítségével feltörték – ez a folyamat általában megöli a kvantumállapotokat.

"Ez egy nagyon erőszakos művelet" - mondta Ruben Verresen, Vishwanath egyik munkatársa a Harvardon.

Raussendorf és munkatársai részletezték, hogy bizonyos qubiteken végzett szelektív mérések hogyan hozhatnak összegabalyodott állapotot, és szándékosan hozhatják összegabalyodott állapotba, ezt a folyamatot Verresen a márvány levágásához hasonlítja szobor faragásához.

A technikának volt egy sötét oldala is, amely kezdetben kudarcra ítélte a kutatók azon kísérleteit, hogy nem Abel-féle fázisokat hozzanak létre: A mérés véletlenszerű eredményeket produkál. Amikor a teoretikusok egy bizonyos fázist céloztak meg, a mérések során véletlenszerűen nem Abel-jellegű bárkit pöttyöztek körbe, mintha a kutatók a Mona Lisát próbálták volna megfesteni úgy, hogy festéket fröcskölnek a vászonra. „Teljes fejfájásnak tűnt” – mondta Verresen.

2021 vége felé Vishwanath csoportja megoldást talált: egy qubit rács hullámfüggvényének faragását több mérési körrel. Az első körrel az anyag egy unalmas fázisát egyszerű Abel-fázissá változtatták. Ezután ezt a fázist egy második mérési körbe vezették be, tovább vésve egy bonyolultabb fázisba. A topologikus macskabölcső játékával rájöttek, hogy képesek kezelni a véletlenszerűségeket, miközben lépésről lépésre haladnak, felmászva az egyre bonyolultabb fázisok létráján. nem abel rendű fázis.

„Ahelyett, hogy véletlenszerűen próbálkozna mérésekkel, és megnézné, mit kap, inkább az anyag fázisainak táján akar átugrani” – mondta Verresen. Ez egy olyan topologikus táj, amelyre a teoretikusok csak mostanában jutottak kezdett érteni.

Tavaly nyáron a csoport próbára tette elméletét a Quantinuum H1 trapped-ion processzorán, amely az egyetlen olyan kvantumeszköz, amely képes méréseket végezni menet közben. A Google-csoporthoz hasonlóan ők is elkészítette az abeli tórikus kódot és befonta nem abeli hibáit. Megpróbáltak egy nem Abel-féle fázist, de nem tudták elérni csak 20 qubittel.

De aztán a Quantinuum egyik kutatója, Henrik Dreyer félretette Verresent. Miután titoktartásra esküdött egy titoktartási megállapodással, azt mondta Verresennek, hogy a cégnek van egy második generációs készüléke. Lényeges, hogy a H2 óriási 32 qubittel rendelkezett. Jelentős kidolgozásba került, de a csapatnak sikerült beállítania a legegyszerűbb, nem Abel-féle fázist 27 kvbiten. „Ha egy vagy két qubittel kevesebb lenne, nem hiszem, hogy meg tudtuk volna csinálni” – mondta Vishwanath.

Kísérleteik az anyag nem Abel-fázisának első megtámadhatatlan észlelését jelentették. „A nem Abel-féle topológiai sorrend megvalósítása olyasvalami, amit az emberek már régóta szerettek volna” – mondta Burnell. – Ez mindenképpen fontos mérföldkő.

Munkájuk három pár nem-abel anyon fonásában tetőzött úgy, hogy a térben és időben áthaladó pályájuk egy borrome-i gyűrűként ismert mintát alkotott, amely a nem-abel anyonok első fonása. Három borrome-i gyűrű elválaszthatatlan, ha együtt vannak, de ha egyet vágunk, a másik kettő szétesik.

„Van egyfajta zseniális tényező” – mondta Wilczek. „A kvantumvilág hatalmas irányítása szükséges ahhoz, hogy ezeket a kvantumobjektumokat előállítsuk.”

The Big Chill

Miközben más fizikusok ünneplik ezeket a mérföldköveket, azt is hangsúlyozzák, hogy a Google és a Quantinuum más versenyt fut, mint a Microsoft és Willett. Topológiai fázisok létrehozása egy kvantumprocesszoron olyan, mintha a világ legapróbb jégkockáját készítené néhány tucat vízmolekula egymásra rakásával – lenyűgöző, mondják, de közel sem olyan kielégítő, mint egy jégtábla természetes formájának megfigyelése.

„Az alapul szolgáló matematika rendkívül szép, és ezt mindenképpen érdemes ellenőrizni” – mondta Chetan Nayak, a Microsoft kutatója, aki úttörő munkát végzett nem-abeli rendszereken. De a maga részéről azt mondta, hogy továbbra is abban reménykedik, hogy egy rendszer lehűlés után önmagában ilyen bonyolult összefonódási mintázatú állapotba kerül.

„Ha ez egyértelműen látható lenne [Willett kísérleteiben], akkor az eszünk elborulna” – mondta Barkeshli. Egy kvantumprocesszorban látni „menő, de senkit nem ejtenek meg.

Barkeshli szerint ezeknek a kísérleteknek a legizgalmasabb aspektusa a kvantumszámításban betöltött jelentőségük: A kutatók 26 évvel Kitaev kezdeti javaslata után végre kimutatták, hogy képesek elkészíteni a szükséges összetevőket. Most már csak azt kell kitalálniuk, hogyan tudják igazán munkába állni.

Az egyik bökkenő az, hogy a Pokémonokhoz hasonlóan a bárkinek rendkívül sok faj létezik, mindegyiknek megvannak a maga erősségei és gyengeségei. Néhányuknak például gazdagabb emlékei vannak a múltjukról, ami a fonatokat számításilag erősebbé teszi. De létezésükre rábírni őket nehezebb. Minden konkrét rendszernek mérlegelnie kell az ilyen kompromisszumokat, amelyek közül sok még nem értett.

"Most, hogy képesek vagyunk különféle topológiai sorrendet létrehozni, ezek a dolgok valóra válnak, és ezekről a kompromisszumokról konkrétabban beszélhetünk" - mondta Vishwanath.

A következő mérföldkő a valódi hibajavítás lesz, amit sem a Google, sem a Quantinuum nem kísérelt meg. Fonott qubitjeik rejtettek voltak, de nem védettek, amihez meg kellett volna mérni a sáros mögöttes qubiteket, és gyorsan, valós időben kijavítani a hibáikat. Ez a demonstráció vízválasztó pillanat lenne a kvantumszámításban, de évekre van hátra – ha egyáltalán lehetséges.

Addig is az optimisták azt remélik, hogy ezek a közelmúltbeli kísérletek egy olyan ciklust indítanak el, amelyben a fejlettebb kvantumszámítógépek jobb irányítást tesznek lehetővé a nem Abel-féle kvázirészecskékkel szemben, és ez az irányítás segíti a fizikusokat a képességesebb kvantumeszközök kifejlesztésében.

„Csak a mérés erejét hozzuk ki” – mondta Wilczek –, ez valami változást hozhat.