物理学者は、過去を記憶するとらえどころのない粒子を作成します

XNUMX 年前、Frank Wilczek は、平らな宇宙でしか生きられない奇妙なタイプの粒子について考えていました。 彼が紙にペンを置いて計算を行っていたなら、ウィルチェクは、これらの当時の理論上の粒子が過去の別世界の記憶を保持していることに気付いたでしょう。

しかし、自然がそのような奇妙な獣の存在を許してはならない理由を見て、将来のノーベル賞を受賞した物理学者は、彼の共同研究者である有名な理論物理学者であるアンソニー・ジーの反対にもかかわらず、最も風変わりな結論に至るまで彼の思考実験に従わないことを選択しました。カリフォルニア大学サンタバーバラ校。

「私は言った、「さあ、トニー、人々は私たちをからかうつもりです」と言いました. ウィルチェック、現在はマサチューセッツ工科大学の教授。

他の人はそれほど気が進まなかった。 研究者たちは、過去 XNUMX 年ほどの間に数百万ドルを費やして、非アーベル エニオンという不可解な名前で呼ばれる粒子のような物体を捕獲して飼いならそうとしてきました。

今、XNUMX つの画期的な実験がついに成功し、誰も笑っていません。 「これは標的だったが、今は命中している」と Wilczek 氏は語った。

Quantinuum 社と協力している物理学者 本日発表 同社が新たに発表した次世代 H2 プロセッサを使用して、 非アーベル エニオンの合成と操作 量子物質の新しい段階で。 彼らの仕事は次のとおりです プレプリント 昨年秋に投稿された投稿では、Google の研究者が非アーベル オブジェクトの最初の明確な絡み合いを祝いました。これは、共有メモリに情報を保存して操作できるという概念の証明です。 一緒に、実験は、コンピューティングの未来を垣間見る可能性を提供しながら、成長する量子デバイスの筋肉を曲げます: 空間と時間の旅のほぼ破壊不可能な記録を維持することにより、非アーベル エニオンは、エラー トレラントを構築するための最も有望なプラットフォームを提供できます。量子コンピューター。

「純粋な科学として、それはただ、うわーです」と言いました アディ・スターン、イスラエルのワイツマン科学研究所の凝縮物質理論家で、オブジェクトの研究にキャリアを費やしてきました。 「これにより、[トポロジカル量子コンピューティング] に近づくことができます。 しかし、過去数十年が私たちに示したことがXNUMXつあるとすれば、それは長く曲がりくねった道です。」

フラットランドコンピューティング

1982 年、Wilczek は、XNUMX 次元に存在する可能性のある粒子の群れに物理学者の心を開かせました。 彼は、量子法則を仮想の完全に平らな宇宙に限定することの結果を解明し、分数のスピンと電荷を持つ奇妙な粒子が含まれていることを発見しました。 さらに、他の方法では区別できない粒子を交換すると、XNUMX 次元の対応物には不可能な方法で粒子が変化する可能性があります。 ウィルチェク 生意気な名前 これらの二次元粒子エニオンは、ほとんど何でもできるように見えたからです。

Wilczek は、最も単純な「アーベル」エニオンに注目しました。これは、交換すると、直接検出できない微妙な方法で変化する粒子です。

彼は、記憶を共有する粒子である非アーベル エニオンという、よりワイルドなオプションの探索には至りませんでした。 XNUMX つの非アーベル エニオンの位置を交換すると、直接観測可能な効果が得られます。 それは、システムの量子的性質を表す量である共有波動関数の状態を切り替えます。 XNUMX つの同一の非アーベル エニオンに出くわした場合、それらがどの状態にあるかを測定することで、それらが常にその位置にあったのか、それともパスを交差したのかを知ることができます。これは、他の粒子では主張できない力です。

Wilczek にとって、その概念は形式的な理論に展開するには幻想的すぎるように思われました。 「それらをサポートする物質の状態は何ですか？」 彼は考えたことを思い出した。

しかし 1991 年に XNUMX 人の物理学者が それらの州を特定しました. 彼らは、十分に強い磁場と十分に低い温度にさらされると、表面にくっついた電子が適切な方法で一緒に渦を巻き、非アーベルエニオンを形成すると予測しました。 エニオンは基本的な粒子ではありません — 私たちの 3D 世界はそれを禁じています — しかし、"準粒子」 これらはパーティクルの集まりですが、個々のユニットと考えるのが最適です。 水分子の集まりが波や渦を生成するのと同じように、準粒子は正確な位置と挙動を持っています。

1997 年、カリフォルニア工科大学の理論家であるアレクセイ キタエフは、 と指摘し そのような準粒子が量子コンピューターの完璧な基礎を築くことができるということです。 物理学者は、量子の世界を利用して、典型的なコンピューターとそのバイナリ ビットの範囲を超えた計算を実行できる可能性に長い間関心を寄せてきました。 しかし、量子コンピューターの原子のようなビルディング ブロックであるキュービットは壊れやすいものです。 彼らの波動関数はほんのわずかなタッチで崩壊し、記憶と量子計算を実行する能力を消去します。 この脆弱性には、長い計算を完了するのに十分な長さのキュービットを制御するという複雑な野望があります。

Kitaev は、非アーベル エニオンの共有メモリが理想的な量子ビットとして機能する可能性があることに気付きました。 まず、それは順応性がありました。 「ブレイディング」と呼ばれる方法でエニオンの位置を交換することで、XNUMX を XNUMX に反転して量子ビットの状態を変更できます。

量子ビットの状態を読み取ることもできます。 たとえば、最も単純な非アーベル エニオンをまとめて「融合」させると、それらが編組されている場合にのみ、別の準粒子を放出します。 この準粒子は、時空を縦横無尽に旅した物理的な記録として機能します。

そして重要なことに、記憶はほとんど腐敗しません。 エニオンが離れている限り、個々の粒子を突いてもペアの状態が変化することはありません (XNUMX か XNUMX かに関係なく)。 このようにして、彼らの集合的な記憶は、宇宙の不協和音から効果的に遮断されます。

「ここは情報を隠すのに最適な場所です」と彼は言いました。 マイサム・バルケシュリ、メリーランド大学の凝縮物質理論家。

手に負えない電子

Kitaev の提案は、ブレードのトポロジーに依存していたため、「トポロジカル」量子コンピューティングとして知られるようになりました。 この用語は、パスの特定の変形の影響を受けない編組の広範な機能 (ターン数など) を指します。 現在、ほとんどの研究者は、三つ編みが何らかの形で量子コンピューティングの未来であると信じています。 たとえば、Microsoft には、電子が非アーベル エニオンを直接形成するよう説得しようとしている研究者がいます。 同社はすでに数百万ドルを投資して、十分に極寒の温度で、先端に編組可能な準粒子の最も単純な種をホストする小さなワイヤを構築しています。 これらの低温では、電子が自然に集まってエニオンを形成し、それが信頼性の高い量子ビットに編組されることが予想されます。

しかし、XNUMX 年間の努力の後、それらの研究者はまだ 証明するのに苦労する 彼らのアプローチがうまくいくことを。 「マジョラナ ゼロ モード」として知られる最も単純なタイプの非アーベル準粒子を最終的に検出したという派手な 2018 年の主張に続いて、2021 年に同様に注目を集めた撤回が行われました。 2022年プレプリント、しかし、編組がすぐに成功することを期待している独立した研究者はほとんどいません。

電子を非アーベル エニオンに変換する同様の取り組みも停滞しています。 Nokia Bell Labs の Bob Willett は、 おそらく一番近い ガリウム砒素で電子を囲い込もうとする彼の試み​​では、 有望だが微妙な兆候 の編組が存在します。 ただし、データは乱雑で、超低温、超高純度の材料、超強力な磁場により、実験を再現するのは困難です。

「何も観察していないという長い歴史があります」と彼は言いました。 キム・ウナ コーネル大学の。

しかし、電子をラングリングすることだけが、非アーベル準粒子を作る唯一の方法ではありません。

大学院生としてエニオンを検出する方法を何年もかけて考え出し、現在は Google と協力している Kim 氏は、次のように述べています。 「その後、量子シミュレーターが登場しました。」

準拠した量子ビット

量子プロセッサはエニオンの捜索を変えています。 電子の大群を一列に並べようとする代わりに、近年、研究者はデバイスを使用して個々のキュービットを自由に曲げ始めています。 一部の物理学者は、プロセッサ内のキュービットが粒子の抽象化であるため、これらの取り組みをシミュレーションと見なしています (物理的性質はラボごとに異なりますが、軸の周りを回転する粒子として視覚化できます)。 しかし、キュービットの量子的性質は本物であるため、シミュレーションであろうとなかろうと、プロセッサはトポロジカル実験の遊び場になっています。

「それは畑に新しい命を吹き込みます」と言いました フィオナ・バーネル、ミネソタ大学の凝縮物質理論家、「固体システムを作るのは非常に困難だったからです。」

量子プロセッサでエニオンを合成することは、Kitaev のブレードの力を活用する別の方法です。量子ビットが平凡であることを受け入れ、エラーを修正します。 今日の見掛け倒しの量子ビットは非常に長く機能しないため、それらから構築されたエニオンも寿命が短くなります。 夢は、キュービットのグループを迅速かつ繰り返し測定し、エラーが発生したときにエラーを修正して、エニオンの寿命を延ばすことです。 測定では、個々の量子ビットの量子情報を、その波動関数を折りたたんで古典的なビットに変えることで消去します。 それはここでも起こりますが、重要な情報は触れられないままであり、多くのエニオンの集合状態に隠されています. このようにして、Google や他の企業は、(低温とは対照的に) 高速測定と迅速な修正によって量子ビットを強化したいと考えています。

「キターエフ以来」と彼は言った マイク・ザレテルカリフォルニア大学バークレー校の凝縮物質物理学者は、「これは、量子エラー修正が機能する可能性が高いと人々が考えている方法です。」

グーグルが取った 大きな一歩 2021 年春の量子エラー修正に向けて、研究者は約 XNUMX 個のキュービットを組み立てて、量子エラー修正が可能な最も単純なグリッド (トーリック コードとして知られる物質のフェーズ) を作成しました。

Google のプロセッサでトーリック コードを作成することは、各キュービットがマイクロ波パルスで隣接するキュービットと厳密に連携するように強制することになります。 測定しないままにしておくと、キュービットは多くの可能な方向の重ね合わせを指します。 Google のプロセッサは、各キュービットが特定の方法でそのスピン軸をその XNUMX つの隣接するものと調整するようにすることで、これらのオプションを効果的に削減します。 トーリック コードには、量子誤り訂正に使用できるトポロジー プロパティがありますが、非アーベル準粒子をネイティブにホストしているわけではありません。 そのために、Googleは奇妙なトリックに頼らなければなりませんでした 長く知られている 理論家へ：「ツイスト欠陥」と呼ばれる量子ビットのグリッドの特定の不完全性は、非アーベル魔法を獲得する可能性があります。

昨年の秋、Kim と、コーネル大学の理論家である Yuri Lensky は、Google の研究者とともに、 簡単に作る トーリック コードの欠陥のペアを編組します。 その直後に投稿されたプレプリントで、Google の実験家たちは 実施報告 そのアイデアには、隣接するキュービット間の接続を切断することが含まれていました。 キュービット グリッドに生じた欠陥は、非アーベル準粒子の最も単純な種であるマイクロソフトのマヨラナ ゼロ モードのように機能しました。

「私の最初の反応は、『わあ、Google は Microsoft が構築しようとしているものをシミュレートしただけだ。 それは本当に柔軟な瞬間でした」と語った タイラーエリソン、イェール大学の物理学者。

切断する接続を微調整することで、研究者は変形を動かすことができました。 彼らは XNUMX 組の非アーベル欠陥を作成し、それらを XNUMX x XNUMX キュービットのチェス盤の周りにスライドさせることで、かろうじて三つ編みを作り出しました。 研究者たちは、出版の準備をしている彼らの実験についてコメントすることを拒否しましたが、他の専門家はその成果を称賛しました.

「私の作品の多くで、似たような絵を落書きしてきました」とエリソンは言いました。 「彼らが実際にこれを実証したことは驚くべきことです。」

測定によるペイント

その間ずっと、率いる理論家のグループ アシュビンヴィシュワナート ハーバード大学では、多くの人がより高い目標と考えていることを静かに追求していました。それは、真の非アーベル エニオン (欠陥ではなく) が物質の元の段階でネイティブに発生する、量子物質のより複雑な段階を作成することです。 「[Google の] 欠陥は、アーベル的ではない赤ちゃんのようなものです」と、どちらの取り組みにも関与していないバーネル氏は述べています。

両方のタイプのエニオンは、クモ糸の複雑なタペストリーによって定義されるトポロジカルな性質を持つ物質のフェーズに住んでいます。 エンタングルメント. 絡み合った粒子は調整された方法で動作し、数兆個の粒子が絡み合うと、時々例えられる複雑なフェーズで波打つことができます 踊り. トポロジカルな順序を持つフェーズでは、エンタングルメントによって粒子が整列したスピンのループに編成されます。 ループが切断されると、それぞれの端がエニオンになります。

トポロジカル オーダーには XNUMX つの種類があります。 トーリック コードなどの単純なフェーズには、「アーベル順序」があります。 そこでは、ルーズエンドはアーベルエニオンです。 しかし、真の非アーベル的エニオンを求める研究者は、非アーベル的秩序を持つ、まったく異なる、はるかに複雑なタペストリーに照準を合わせています。

ヴィシュワナートのグループは、 アーベル次数の位相 彼らはさらに先へ進むことを夢見ていたが、キュービットを非アーベルエンタングルメント パターンにステッチすることは、今日の不安定なプロセッサにとって複雑すぎることが判明した。 そのため、乗組員は新鮮なアイデアを求めて文献を精査しました。

彼らは手がかりを見つけました ペア of 論文 数十年前から。 ほとんどの量子デバイスは、詰め物が継ぎ目から飛び散らない穏やかな方法で、枕をふわふわにするのと同じように量子ビットをマッサージすることによって計算します。 これらの「一体」操作によって絡み合いを慎重に編むには、時間がかかります。 しかし、2000 年代初頭、現在ブリティッシュ コロンビア大学の物理学者である Robert Raussendorf は近道を思いつきました。 その秘密は、測定を使用して波動関数のチャンクをハッキングすることでした。これは通常、量子状態を殺すプロセスです。

「これは本当に暴力的な作戦だ」と語った。 ルーベン・ヴェレーセン、ハーバードでのヴィシュワナートの共同研究者の一人。

Raussendorf と彼の共同研究者は、特定のキュービットの選択的な測定がどのように絡み合っていない状態になり、意図的に絡み合った状態にすることができるかを詳しく説明しました。Verresen は、大理石を切り取って彫像を彫刻するプロセスになぞらえています。

この技術には、非アーベル位相を作ろうとする研究者たちの試みを最初に運命づけた暗い側面がありました。測定はランダムな結果を生み出します。 理論家が特定のフェーズをターゲットにしたとき、測定値は非アーベル エニオンをランダムに斑点状に残しました。まるで研究者がキャンバスにペンキを飛ばしてモナリザを描こうとしているかのようでした。 「それは完全な頭痛のように思えました」と Verresen は言いました。

2021 年末に向けて、Vishwanath のグループは解決策にたどり着きました。それは、複数回の測定で量子ビット グリッドの波動関数を彫刻することです。 最初のラウンドで、彼らは物質の退屈なフェーズを単純なアーベルフェーズに変えました。 次に、そのフェーズを XNUMX 回目の測定に送り、さらに複雑なフェーズに切り分けました。 このトポロジカルなゆりかごのゲームをプレイすることで、彼らは段階を追って移動しながらランダム性に対処できることに気付きました。 非アーベル秩序の位相.

「無作為に測定を試みて何が得られるかを見るのではなく、物質の相の風景を飛び越えたいと思うでしょう」と Verresen は言いました。 それは、理論家がごく最近持っているトポロジカルな風景です 理解し始めた.

昨年の夏、このグループは、その場で測定を実行できる唯一の量子デバイスの 1 つである Quantinuum の HXNUMX トラップ イオン プロセッサで理論をテストしました。 Google グループと同様に、彼らは アーベルトーリックコードを作った そして、その非アーベル的欠陥を編んだ。 彼らは非アーベル フェーズを試みましたが、わずか 20 キュービットではそこに到達できませんでした。

しかしその後、Quantinuum の研究者である Henrik Dreyer が Verresen を脇に置きました。 機密保持契約で秘密を守ることを誓った後、彼は Verresen に、同社には第 2 世代のデバイスがあると語った。 重要なことに、H32 にはなんと 27 キュービットがありました。 かなりの手間がかかりましたが、チームはこれらの量子ビットのうち XNUMX 個で最も単純な非アーベル位相を設定することができました。 「キュービットが XNUMX つまたは XNUMX つ少なかったら、それはできなかったと思います」と Vishwanath 氏は述べています。

彼らの実験は、物質の非アーベル相の最初の難攻不落の検出でした。 「非アーベルのトポロジー秩序を実現することは、人々が長い間やりたかったことです」とバーネルは言いました。 「それは間違いなく重要なランドマークです。」

彼らの研究は、XNUMX 対の非アーベル エニオンを編組することで最高潮に達し、空間と時間の軌跡が、非アーベル エニオンの最初の編組であるボロミアン リングとして知られるパターンを形成しました。 XNUMX つのボロミアン リングは、一緒にすると切り離せませんが、XNUMX つを切ると残りの XNUMX つがバラバラになります。

「一種の天才的な要素があります」と Wilczek 氏は言います。 「これらの量子オブジェクトを生成するには、量子世界を膨大に制御する必要があります。」

再会の時

他の物理学者がこれらのマイルストーンを祝うとき、彼らはまた、Google と Quantinuum が Microsoft や Willett などとは異なる競争をしていることを強調しています。 量子プロセッサでトポロジカル フェーズを作成することは、数十個の水分子を積み重ねて世界で最も小さな角氷を作るようなものです。彼らは、印象的だと言いますが、氷のスラブが自然に形成されるのを見るほど満足できるものではありません。

「基礎となる数学は非常に美しく、それを検証できることは間違いなく価値があります。」 チェタン・ナヤクは、非アーベル系で先駆的な研究を行った Microsoft の研究者です。 しかし彼は、システムが冷却されると、この種の複雑なもつれパターンの状態に落ち着くのをまだ見たいと思っている.

「これが（ウィレットの実験で）明白に見られたら、私たちの心は吹き飛ばされるでしょう」とバーケシュリは言いました. 量子プロセッサでそれを見るのは「クールですが、誰も吹き飛ばされていません」.

Barkeshli によると、これらの実験の最もエキサイティングな側面は、量子計算にとっての重要性です。Kitaev の最初の提案から 26 年後、研究者は最終的に必要な材料を作ることができることを示しました。 あとは、実際にそれらを機能させる方法を見つけ出す必要があります。

難点の XNUMX つは、ポケモンと同様に、エニオンには非常に多くの異なる種があり、それぞれに独自の長所と短所があることです。 たとえば、過去のより豊かな記憶を持っている人もいます。 しかし、それらを存在に誘導するのはより困難です。 特定のスキームでは、そのようなトレードオフを検討する必要がありますが、その多くはまだ理解されていません。

「さまざまな種類のトポロジー順序を作成できるようになったので、これらが現実のものとなり、これらのトレードオフについてより具体的な言葉で話すことができます」と Vishwanath 氏は述べています。

次のマイルストーンは、Google も Quantinuum も試みなかった実際のエラー修正です。 彼らの編組量子ビットは隠されていましたが、保護されていませんでした。これには、基礎となる厄介な量子ビットを測定し、リアルタイムでエラーを迅速に修正する必要がありました。 その実証は量子計算の分岐点となるだろうが、それは何年も先の話だ。

それまでは、楽観主義者は、これらの最近の実験が、より高度な量子コンピューターが非アーベル準粒子のより優れた制御につながり、その制御が物理学者がより高性能な量子デバイスを開発するのに役立つというサイクルを開始することを望んでいます。

「測定の力を引き出すだけです」と Wilczek 氏は言いました。