חוקרים מאוניברסיטת נאנג'ינג בסין השתמשו בשבב קוונטי מוליך-על כדי לדמות מערכת של חלקיקים שהם לא פרמיונים ולא בוזונים. כחלק מהסימולציה הזו, הם מדדו פרמטר המכונה הטנזור הגיאומטרי הקוונטי המספק מידע מקומי על התכונות הטופולוגיות של המערכת. העבודה מציינת את הפעם הראשונה שכמות זו נמדדה במה שמכונה מערכת לא-אבלית - תוצאה שתהיה שימושית לחקר הפיזיקה של מערכות מורכבות כמו חומרים טופולוגיים.
על פי מכניקת הקוונטים ותורת השדות הקוונטיים, כל החלקיקים היסודיים מתחלקים לאחת משתי קבוצות: פרמיונים או בוזונים. פרמיונים כגון אלקטרונים מצייתים לעקרון ההרחקה של פאולי, כלומר אף שני פרמיונים לא יכולים לתפוס את אותו מצב קוונטי. נטייה זו לברוח זה מזה עומדת בלב טווח רחב של תופעות, כולל המבנה האלקטרוני של האטומים, יציבות כוכבי נויטרונים וההבדל בין מתכות (שמוליכות זרם חשמלי) לבין מבודדים (שלא). בוזונים כגון פוטונים, לעומת זאת, נוטים להתקבץ יחד - דבר שמוביל להתנהגויות על-נוזליות ומוליכות-על כאשר בוזונים רבים קיימים באותו מצב קוונטי.
לא דבר אחד ולא דבר אחר
עם זאת, חומרים מסוימים מכילים סוגים אחרים, אקזוטיים יותר, של חלקיקים יסודיים. החלקיקים הלא-אבליים הללו אינם בוזונים או פרמיונים. במקום זאת, הם מורכבים מחלקיקים מרוכבים כגון אלקטרונים בעלי אינטראקציה חזקה, מה שמוביל למאפיינים ייחודיים רבים. האחד הוא ניוון, כלומר חלקיקים לא-אבליים במצבי קוונטיים מרובים עשויים לשבת באותה אנרגיה. בפרט, מצבים קוונטיים רבים יכולים לתפוס את רמת האנרגיה הנמוכה ביותר, וליצור מצב קרקע מנוון. מצבים כאלה עמידים בפני הפרעות בסביבתם מכיוון שמצבי הקרקע המנוונים מופרדים על ידי פער אנרגיה מהמצבים הנרגשים, בעלי האנרגיה הגבוהה יותר.
תכונה מרכזית נוספת של חלקיקים לא-אבליים היא שהחלפת שניים מהם מעבירה את המערכת בין מצבי קרקע שונים. "אם מבוצעת סדרה של חילופים בסדר מסוים, המצב הסופי של המערכת יהיה תלוי בסדר הזה, מה שמעיד על כך שהמניפולציה הזו אינה תלויה בפרטים כמו האינטראקציה בין חלקיקים או הסביבה", מסביר יאנג יו, אשר הוביל את המחקר. "כל אלה הופכים מערכות כאלה למועמדות אידיאליות למה שנקרא חישוב קוונטי טופולוגי. אולם הבעיה היא שקשה לממש ולאפיין מערכת לא אבלית בניסוי בעולם האמיתי".
במערכות לא-אבליות, לטנזור הגיאומטרי הקוונטי יש מבנה מתמטי מורכב יותר מאשר במערכות של בוזונים ופרמיונים, ובהתאמה הוא מגלם יותר תופעות בפיסיקה. בעוד שחוקרים מדדו את הטנזור הגיאומטרי הקוונטי של מערכות אבליות (כולל מעגלים קוונטיים מוליכים-על ופלטפורמות מרכזיות-חנקן-פנויות) בשנים האחרונות, הם לא עשו זאת בעבר עבור מערכות לא-אבליות.
כל אחד מתחבר יחד במוליך דו מימדי
ארבעה קיוביטים מוליכי-על ניתנים לכיוון
בעבודה החדשה, יו ועמיתיו למדו מערכת המורכבת מארבע סיביות קוונטיות מוליכות-על ניתנות לכוונון (קווביטים) המורכבות במבנה טבעת ומקושרות זו לזו. "על ידי אפנון תדר הקיוביט במהירות ובתקופות, נוכל לתכנן בחופשיות את גודל ושלב חוזק הצימוד בין הקיוביטים הקרובים ביותר, ומכאן מערכת לא-אבלית שאת התכונות הגיאומטריות שלה נוכל לחקור", מסביר יו. "ועל ידי אפנון נכון של הפרמטרים שלו, נוכל לחלץ את כל הטנזור הגיאומטרי הקוונטי מדפוסי התנודה בין מצבי הקוונטים של המערכת", הוא אומר. עולם הפיזיקה.
החוקרים אומרים שהעבודה הנוכחית מראה ששבב קוונטי מוליך-על הוא פלטפורמה מצוינת לסימולציה קוונטית. כעת הם מקווים לדמות מערכות קוונטיות מורכבות יותר ולחקור פיזיקה חדשה עם יותר קיוביטים.
הם מדווחים על התוצאות שלהם מכתבי פיזיקה סינית.
