물리학자들은 과거를 기억하는 애매한 입자를 만듭니다.

XNUMX년 전 Frank Wilczek은 평평한 우주에서만 살 수 있는 기이한 유형의 입자에 대해 고민하고 있었습니다. 그가 종이에 펜을 대고 계산을 했다면, Wilczek은 당시의 이론적인 입자들이 과거에 대한 다른 세계의 기억을 가지고 있다는 것을 발견했을 것입니다.

그러나 자연이 그런 이상한 짐승의 존재를 허용해서는 안 될 이유가 없다고 생각한 미래의 노벨상 수상 물리학자는 그의 공동 작업자이자 유명한 이론 물리학자인 Anthony Zee의 반대에도 불구하고 가장 기이한 결론에 대한 그의 사고 실험을 따르지 않기로 결정했습니다. 캘리포니아 대학교, 산타 바바라.

"나는 '이리와, 토니, 사람들이 우리를 놀릴거야'라고 말했다"고 말했다. 윌첵, 현재 Massachusetts Institute of Technology의 교수입니다.

다른 사람들은 그렇게 주저하지 않았습니다. 연구원들은 지난 XNUMX년 동안 수백만 달러를 들여 입자와 같은 물체를 포착하고 길들이기 위해 노력했습니다.

이제 두 가지 획기적인 실험이 마침내 성공했고 아무도 웃지 않습니다. Wilczek은 "이것은 표적이었으며 이제 타격을 입었습니다."라고 말했습니다.

Quantinuum 회사와 함께 일하는 물리학자 오늘 발표 회사에서 새로 공개한 차세대 H2 프로세서를 사용하여 non-abelian anyons 합성 및 조작 양자 물질의 새로운 단계에서. 그들의 작업은 다음과 같습니다 전인 정보가 공유 메모리에 저장되고 조작될 수 있다는 개념 증명인 비(非)-아벨론 객체의 첫 번째 명확한 얽힘을 기념한 Google 연구원이 지난 가을에 게시했습니다. 함께, 실험은 컴퓨팅의 미래에 대한 잠재적인 일견을 제공하는 동시에 양자 장치의 성장하는 힘을 구부립니다. 공간과 시간을 통한 여행의 거의 파괴할 수 없는 기록을 유지함으로써 비 아벨론 사람은 오류 허용을 구축하기 위한 가장 유망한 플랫폼을 제공할 수 있습니다. 양자 컴퓨터.

"순수 과학으로서는 그냥 와우"라고 말했습니다. 에이디 스턴, 물체를 연구하는 데 경력을 쌓은 이스라엘 Weizmann Institute of Science의 응집 물질 이론가. “이것은 당신을 [토폴로지 양자 컴퓨팅에] 더 가깝게 만듭니다. 하지만 지난 수십 년이 우리에게 보여준 것이 있다면 그것은 길고 구불구불한 길입니다.”

플랫랜드 컴퓨팅

1982년에 Wilczek은 물리학자들이 XNUMX차원에 존재할 수 있는 수많은 입자에 대해 마음을 열도록 도왔습니다. 그는 양자법칙을 가상의 완전히 평평한 우주에 국한시킨 결과를 알아냈고, 그 우주가 분수 스핀과 전하를 가진 이상한 입자를 포함하고 있음을 발견했습니다. 더욱이 구별할 수 없는 입자를 교환하면 XNUMX차원 대응물에서는 불가능한 방식으로 입자를 변경할 수 있습니다. 윌첵 건방진 이름 이 XNUMX차원 입자는 거의 모든 것을 할 수 있는 것처럼 보였기 때문입니다.

Wilczek은 교환할 때 직접 감지할 수 없는 미묘한 방식으로 변화하는 입자인 가장 단순한 "아벨론" 애니온에 초점을 맞췄습니다.

그는 기억을 공유하는 입자인 아벨론이 아닌 누구라도 더 거친 옵션을 탐색하는 것에서 멈췄습니다. 두 개의 비-아벨리안 애니온의 위치를 ​​교환하면 직접 관찰 가능한 효과가 생성됩니다. 시스템의 양자 특성을 설명하는 양인 공유 파동 함수의 상태를 전환합니다. 두 개의 동일한 비-아벨론 애니온을 우연히 발견한 경우, 그들이 어떤 상태에 있는지 측정함으로써 그들이 항상 그러한 위치에 있었는지 또는 경로를 교차했는지 여부를 알 수 있습니다. 다른 입자는 주장할 수 없는 힘입니다.

Wilczek에게 그 개념은 공식적인 이론으로 발전하기에는 너무 환상적으로 보였습니다. "어떤 종류의 물질 상태가 그것들을 지원합니까?" 그는 생각을 회상했다.

그러나 1991년에 두 명의 물리학자가 해당 상태를 식별. 그들은 충분히 강한 자기장과 충분히 낮은 온도에 노출될 때 표면에 달라붙은 전자가 올바른 방식으로 함께 소용돌이쳐서 비-아벨론 애니온을 형성할 것이라고 예측했습니다. anyons는 기본 입자가 아닐 것입니다. 우리의 3D 세계는 그것을 금지합니다. 그러나 "준입자.” 이들은 입자의 모음이지만 개별 단위로 생각하는 것이 가장 좋습니다. 준입자는 물 분자의 집합이 파도와 소용돌이를 생성하는 것처럼 정확한 위치와 동작을 가지고 있습니다.

1997년 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 이론가인 Alexei Kitaev는 지적 그러한 준입자가 양자 컴퓨터의 완벽한 토대를 마련할 수 있다는 것입니다. 물리학자들은 일반적인 컴퓨터와 바이너리 비트가 도달할 수 없는 계산을 수행하기 위해 양자 세계를 활용할 수 있는 가능성에 오랫동안 침을 흘리고 있습니다. 그러나 양자 컴퓨터의 원자와 같은 빌딩 블록인 큐비트는 깨지기 쉽습니다. 그들의 파동 함수는 가장 가벼운 터치에도 붕괴되어 기억과 양자 계산 수행 능력을 지웁니다. 이 허술함은 긴 계산을 완료할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 큐비트를 제어하려는 복잡한 야망을 가지고 있습니다.

Kitaev는 아벨론이 아닌 모든 사람의 공유 메모리가 이상적인 큐비트 역할을 할 수 있음을 깨달았습니다. 처음에는 가단성이었습니다. "땋기(braiding)"라는 방식으로 애니온의 위치를 ​​교환하여 큐비트의 상태를 변경할 수 있습니다. 즉, XNUMX을 XNUMX로 뒤집는 것입니다.

큐비트의 상태를 읽을 수도 있습니다. 예를 들어, 가장 단순한 비-아벨리안 애니온이 함께 모여 "융합"될 때, 그들은 땋아진 경우에만 또 다른 준입자를 방출할 것입니다. 이 준입자는 공간과 시간을 가로지르는 여행의 물리적 기록 역할을 합니다.

그리고 결정적으로 메모리도 거의 썩지 않습니다. Anyons가 멀리 떨어져 있는 한 개별 입자를 찔러도 쌍이 있는 상태(XNUMX 또는 XNUMX)가 변경되지 않습니다. 이런 식으로 그들의 집단적 기억은 우주의 불협화음에서 효과적으로 단절됩니다.

"여기는 정보를 숨기기에 완벽한 장소가 될 것입니다."라고 말했습니다. 메쌈 바르케쉴리, 메릴랜드 대학의 응집 물질 이론가.

다루기 힘든 전자

Kitaev의 제안은 브레이드의 토폴로지에 의존하기 때문에 "토폴로지" 양자 컴퓨팅으로 알려지게 되었습니다. 이 용어는 경로의 특정 변형에 의해 영향을 받지 않는 브레이드의 광범위한 기능(예: 회전 수)을 나타냅니다. 이제 대부분의 연구자들은 브레이드가 어떤 형태로든 양자 컴퓨팅의 미래라고 믿고 있습니다. 예를 들어, 마이크로소프트는 전자가 비-아벨리언 애니온을 직접 형성하도록 설득하려는 연구자들을 보유하고 있습니다. 이미 이 회사는 극한의 온도에서 끝 부분에 가장 단순한 유형의 땋을 수 있는 준입자를 호스트해야 하는 작은 와이어를 구축하는 데 수백만 달러를 투자했습니다. 이러한 낮은 온도에서는 전자가 자연적으로 모여서 anyon을 형성하고 이를 신뢰할 수 있는 큐비트로 엮을 수 있을 것으로 예상됩니다.

그러나 XNUMX년의 노력 끝에 그 연구자들은 여전히 증명하기 위해 고군분투 그들의 접근 방식이 효과가 있을 것입니다. 2018년 "마조라나 제로 모드"로 알려진 가장 단순한 유형의 비-아벨 준입자를 마침내 발견했다는 화려한 주장이 2021년에 비슷하게 세간의 이목을 끄는 철회로 이어졌습니다. 2022 프리프린트, 그러나 곧 성공적인 땋기를 기대하는 독립적인 연구자는 거의 없습니다.

전자를 아벨이 아닌 애니온으로 바꾸려는 유사한 노력도 중단되었습니다. Nokia Bell Labs의 Bob Willett은 아마 가장 가까운 곳에 갈륨 비소에 전자를 가두려는 그의 시도에서 유망하지만 미묘한 징후 브레이드가 존재합니다. 그러나 데이터는 지저분하고 초저온, 초순수 재료 및 초강력 자기장으로 인해 실험을 재현하기가 어렵습니다.

"아무것도 관찰하지 못한 오랜 역사가 있었다"고 말했다. 김은아 코넬 대학의.

그러나 랭글링 전자가 비-아벨 준입자를 만드는 유일한 방법은 아닙니다.

"나는 이 모든 것을 포기했었다. "그런 다음 양자 시뮬레이터가 등장했습니다."

규정 준수 큐비트

양자 프로세서는 모든 사람을 찾는 방식을 바꾸고 있습니다. 최근 몇 년 동안 연구원들은 전자 무리를 유도하여 일렬로 정렬하는 대신 개별 큐비트를 원하는 대로 구부리기 위해 장치를 사용하기 시작했습니다. 일부 물리학자들은 프로세서 내부의 큐비트가 입자의 추상화이기 때문에 이러한 노력 시뮬레이션을 고려합니다(물리적 특성은 실험실마다 다르지만 축 주위를 회전하는 입자로 시각화할 수 있음). 그러나 큐비트의 양자 특성은 실제이므로 시뮬레이션이든 아니든 프로세서는 토폴로지 실험을 위한 놀이터가 되었습니다.

현장에 “새 생명 불어넣는다” 피오나 버넬, 미네소타 대학의 응집 물질 이론가인 "고체 시스템을 만드는 것이 너무 어려웠기 때문입니다."

양자 프로세서에서 모든 사람을 합성하는 것은 Kitaev의 브레이드의 힘을 활용하는 또 다른 방법입니다. 큐비트가 평범하다는 것을 받아들이고 오류를 수정합니다. 오늘날의 조잡한 큐비트는 오랫동안 작동하지 않으므로 큐비트로 만든 큐비트도 수명이 짧습니다. 꿈은 큐비트 그룹을 빠르고 반복적으로 측정하고 발생하는 오류를 수정하여 애니온의 수명을 연장하는 것입니다. 측정은 파동 함수를 축소하고 이를 고전적인 비트로 전환하여 개별 큐비트의 양자 정보를 지웁니다. 여기에서도 그런 일이 발생하지만 중요한 정보는 건드릴 수 없는 상태로 남을 것입니다. 많은 사람의 집단적 상태에 숨겨져 있습니다. 이러한 방식으로 Google과 다른 회사는 빠른 측정과 신속한 수정(낮은 온도와 반대)으로 큐비트를 강화하기를 희망합니다.

"Kitaev 이후로"라고 말했습니다. 마이크 잘 레텔UC Berkeley의 응집 물질 물리학자인 "이것은 사람들이 양자 오류 수정이 작동할 것이라고 생각하는 방식이었습니다."

구글이 가져갔다 중요한 단계 2021년 봄에 양자 오류 수정을 향해 연구자들이 약 XNUMX큐비트를 양자 오류 수정이 가능한 가장 단순한 그리드로 조립했을 때 토릭 코드로 알려진 물질의 위상입니다.

Google 프로세서에서 토릭 코드를 생성하는 것은 각 큐비트가 마이크로파 펄스로 부드럽게 움직여 이웃과 엄격하게 협력하도록 하는 것과 같습니다. 측정되지 않은 상태로 남겨진 큐비트는 여러 가능한 방향의 중첩을 가리킵니다. Google의 프로세서는 각 큐비트가 특정 방식으로 XNUMX개의 이웃과 스핀 축을 조정하도록 함으로써 이러한 옵션을 효과적으로 줄입니다. 토릭 코드는 양자 오류 수정에 사용할 수 있는 토폴로지 속성을 가지고 있지만 기본적으로 비-아벨 준입자를 호스팅하지 않습니다. 이를 위해 Google은 이상한 트릭을 사용해야 했습니다. 오래 알려져있는 이론가들에게: "트위스트 결함"이라고 불리는 큐비트 그리드의 특정 결함은 비-아벨적 마법을 얻을 수 있습니다.

지난 가을, 코넬 대학의 이론가인 Kim과 Yuri Lensky는 Google 연구원들과 함께 쉽게 만드는 토릭 코드의 결함 쌍을 땋습니다. 얼마 지나지 않아 게시된 프리프린트에서 Google의 실험가들은 구현보고 그 아이디어는 인접한 큐비트 사이의 연결을 끊는 것과 관련이 있습니다. 큐비트 그리드의 결과 결함은 가장 단순한 유형의 비-가벨 준입자인 Microsoft의 Majorana 제로 모드처럼 작동했습니다.

“내 초기 반응은 '와우, Google은 Microsoft가 구축하려는 것을 시뮬레이션했습니다. 정말 유연한 순간이었습니다.”라고 말했습니다. 타일러 엘리슨, 예일 대학교의 물리학자.

그들이 자르는 연결을 조정함으로써 연구원들은 변형을 움직일 수 있었습니다. 그들은 XNUMX쌍의 비-아벨 결함을 만들었고, XNUMXxXNUMX큐비트 체스판 주위로 그것들을 밀어넣어 간신히 땋은 머리를 뽑았습니다. 연구원들은 출판 준비 중인 그들의 실험에 대해 논평을 거부했지만 다른 전문가들은 그 성과를 칭찬했습니다.

Ellison은 "많은 작업에서 비슷하게 생긴 그림을 낙서했습니다."라고 말했습니다. "실제로 이것을 시연했다는 것이 놀랍습니다."

측정하여 페인트

그동안 이론가 그룹은 아쉬빈 비슈와나트 Harvard University는 많은 사람들이 훨씬 더 고상한 목표라고 생각하는 것을 조용히 추구하고 있었습니다. 결함이 아닌 진정한 비-아벨리언 애니온(anyons)이 물질의 원래 단계에서 기본적으로 발생하는 보다 복잡한 양자 물질 단계를 만드는 것입니다. "[구글의] 결함은 일종의 아기 비-아벨론적인 것입니다.

두 유형의 모든 사람은 비단 실의 복잡한 태피스트리, 얽히게 함. 얽힌 입자는 조정된 방식으로 행동하며, 수조 개의 입자가 얽히면 때로는 춤. 위상 순서가 있는 단계에서 얽힘은 입자를 정렬된 스핀의 루프로 구성합니다. 루프가 잘릴 때 각 끝은 anyon입니다.

토폴로지 순서에는 두 가지가 있습니다. 토릭 코드와 같은 간단한 단계에는 "아벨리언 순서"가 있습니다. 거기에서 느슨한 끝은 abelian anyons입니다. 그러나 진정한 비-아벨적 누구를 찾는 연구원들은 비-아벨적 질서를 가진 완전히 다르고 훨씬 더 복잡한 태피스트리를 목표로 삼고 있습니다.

Vishwanath의 그룹은 요리를 도왔습니다. 아벨 순서의 위상 2021년. 그들은 더 나아가는 꿈을 꾸었지만, 큐비트를 비-아벨적 얽힘 패턴으로 꿰매는 것은 오늘날의 불안정한 프로세서에 너무 복잡한 것으로 판명되었습니다. 그래서 제작진은 신선한 아이디어를 얻기 위해 문헌을 샅샅이 뒤졌습니다.

그들은 단서를 찾았습니다 쌍 of 서류 수십 년 전부터. 대부분의 양자 장치는 이음새를 통해 충전물이 날아가지 않는 부드러운 방식으로 베개를 보풀이는 것처럼 큐비트를 마사지하여 계산합니다. 이러한 "단일" 작업을 통해 얽힘을 조심스럽게 짜는 데는 시간이 걸립니다. 그러나 2000년대 초 현재 브리티시 컬럼비아 대학교의 물리학자인 로버트 라우센도르프는 지름길을 찾았습니다. 비밀은 일반적으로 양자 상태를 죽이는 프로세스인 측정을 사용하여 파동 함수의 덩어리를 해킹하는 것이 었습니다.

"정말 폭력적인 작전"이라고 말했다. 루벤 베레젠, Harvard에서 Vishwanath의 협력자 중 한 명.

Raussendorf와 그의 동료들은 특정 큐비트에 대한 선택적 측정이 어떻게 얽히지 않은 상태를 취하여 의도적으로 얽힌 상태로 만들 수 있는지 자세히 설명했습니다. Verresen은 조각상을 조각하기 위해 대리석을 자르는 과정에 비유했습니다.

이 기술에는 처음에는 비-아벨적 단계를 만들려는 연구원의 시도를 망쳐 놓은 어두운 면이 있었습니다. 측정은 임의의 결과를 생성합니다. 이론가들이 특정 단계를 목표로 삼았을 때, 연구원들이 캔버스에 페인트를 뿌려 모나리자를 그리려고 시도하는 것처럼 측정은 아벨론적이지 않은 사람들을 무작위로 얼룩지게 했습니다. Verresen은 "완전한 두통처럼 보였습니다."라고 말했습니다.

2021년 말에 비슈와나스의 그룹은 여러 라운드의 측정을 통해 큐비트 그리드의 파동 함수를 조각하는 솔루션을 찾았습니다. 첫 번째 라운드에서 그들은 물질의 지루한 단계를 단순한 아벨 단계로 전환했습니다. 그런 다음 해당 단계를 두 번째 측정 라운드로 전달하여 더 복잡한 단계로 추가로 끌었습니다. 이 위상학적 고양이 요람 게임을 함으로써 그들은 점점 더 복잡해지는 단계의 사다리를 오르면서 한 걸음 한 걸음 이동하면서 무작위성을 해결할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 비-아벨리언 순서의 단계.

Verresen은 "무작위로 측정을 시도하고 결과를 확인하는 대신 물질 단계의 풍경을 가로질러 건너뛰기를 원합니다."라고 말했습니다. 그것은 이론가들이 최근에야 갖게 된 위상학적 풍경입니다. 이해하기 시작했다.

지난 여름, 이 그룹은 즉석에서 측정을 수행할 수 있는 유일한 양자 장치 중 하나인 Quantinuum의 H1 트랩 이온 프로세서에서 이론을 테스트했습니다. Google 그룹과 마찬가지로 아벨 토릭 코드를 만들었다 비 아벨적인 결함을 엮었습니다. 그들은 non-abelian 단계를 시도했지만 20 큐비트만으로는 도달할 수 없었습니다.

그러나 Quantinuum의 연구원인 Henrik Dreyer는 Verresen을 제쳐두었습니다. 비공개 계약으로 비밀을 보장하겠다고 맹세한 후 그는 Verresen에게 회사에 2세대 장치가 있다고 말했습니다. 결정적으로 H32에는 무려 27큐비트가 있었습니다. 상당한 시간이 걸렸지만 팀은 그 큐비트 중 XNUMX개에서 가장 단순한 비-아벨적 단계를 설정하는 데 성공했습니다. Vishwanath는 "큐비트가 한두 개 적었다면 할 수 없었을 것"이라고 말했습니다.

그들의 실험은 물질의 비-아벨론 위상에 대한 첫 번째 난공불락의 탐지를 기록했습니다. 버넬은 "비-아벨론 토폴로지 질서를 실현하는 것은 사람들이 오랫동안 하고 싶어했던 일"이라고 말했다. "확실히 중요한 랜드마크입니다."

그들의 작업은 공간과 시간을 통한 궤적이 보로미안 고리로 알려진 패턴을 형성하도록 세 쌍의 비-아벨적 애니온을 땋는 것으로 절정에 이르렀습니다. 세 개의 Borromean 고리는 함께 있을 때 분리할 수 없지만 하나를 자르면 다른 두 개가 떨어져 나갑니다.

Wilczek은 "일종의 기발한 요소가 있습니다."라고 말했습니다. "이러한 양자 물체를 생산하려면 양자 세계를 엄청나게 통제해야 합니다."

빅 칠

다른 물리학자들은 이러한 이정표를 축하하면서 Google과 Quantinuum이 Microsoft 및 Willett과 다른 경주를 하고 있음을 강조합니다. 양자 프로세서에서 위상 위상을 생성하는 것은 수십 개의 물 분자를 쌓아서 세계에서 가장 작은 각얼음을 만드는 것과 같습니다. 그들은 인상적이지만 자연적으로 얼음 조각이 형성되는 것을 보는 것만큼 만족스럽지는 않다고 말합니다.

"기본 수학은 매우 아름답고 이를 검증할 수 있는 것은 확실히 가치가 있습니다."라고 말했습니다. 체탄 나약, non-abelian 시스템에 대한 선구적인 작업을 수행한 Microsoft의 연구원입니다. 그러나 그는 여전히 시스템이 냉각될 때 자체적으로 이런 종류의 복잡한 얽힘 패턴을 가진 상태로 정착하기를 희망한다고 말했습니다.

Barkeshli는 "[Willett의 실험]에서 이것이 명백하게 나타난다면 우리는 정신을 잃을 것입니다."라고 말했습니다. 양자 프로세서에서 그것을 보는 것은 "멋지지만 아무도 놀라지 않을 것입니다."

Barkeshli에 따르면 이러한 실험의 가장 흥미로운 측면은 양자 계산에 대한 중요성입니다. 연구자들은 마침내 Kitaev의 초기 제안 이후 26년 후에 필요한 재료를 만들 수 있음을 보여주었습니다. 이제 그들은 실제로 작동시키는 방법을 알아내야 합니다.

한 가지 걸림돌은 Pokémon과 마찬가지로 누구나 고유한 강점과 약점을 가진 엄청난 수의 다른 종으로 나온다는 것입니다. 예를 들어, 어떤 사람들은 과거에 대한 더 풍부한 기억을 가지고 있기 때문에 땋은 머리를 더 계산적으로 강력하게 만듭니다. 그러나 그것들을 존재로 유도하는 것은 더 어렵습니다. 특정 계획은 이러한 장단점을 평가해야 하며, 그 중 많은 부분이 아직 이해되지 않았습니다.

Vishwanath는 “이제 우리는 다양한 종류의 토폴로지 순서를 만들 수 있는 능력을 갖추었으므로 이러한 것들이 현실이 되고 이러한 트레이드오프에 대해 보다 구체적인 용어로 이야기할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

다음 이정표는 Google이나 Quantinuum이 시도하지 않은 실제 오류 수정이 될 것입니다. 땋은 큐비트는 숨겨져 있지만 보호되지는 않습니다. 이를 위해서는 형편없는 기본 큐비트를 측정하고 실시간으로 오류를 신속하게 수정해야 했을 것입니다. 그 시연은 양자 계산의 분수령이 될 것이지만 가능하다면 몇 년이 걸릴 것입니다.

그때까지 낙관론자들은 이러한 최근의 실험이 더 발전된 양자 컴퓨터가 비-아벨 준입자에 대한 더 나은 명령으로 이어지고 그 제어가 물리학자들이 더 유능한 양자 장치를 개발하는 데 도움이 되는 주기를 시작하기를 희망합니다.

Wilczek은 "측정의 힘을 끌어내는 것만으로도 게임 체인저가 될 수 있습니다."라고 말했습니다.