Fizycy tworzą nieuchwytne cząstki, które pamiętają swoją przeszłość

Czterdzieści lat temu Frank Wilczek rozmyślał nad dziwacznym typem cząstki, która mogłaby żyć tylko w płaskim wszechświecie. Gdyby przyłożył pióro do papieru i wykonał obliczenia, Wilczek odkryłby, że te wówczas teoretyczne cząstki zawierają nieziemskie wspomnienie swojej przeszłości, zbyt dokładnie wplecione w tkankę rzeczywistości, by jedno zakłócenie mogło je wymazać.

Jednak nie widząc powodu, dla którego natura miałaby pozwolić na istnienie tak dziwnych bestii, przyszły fizyk, laureat Nagrody Nobla, postanowił nie podążać za swoimi eksperymentami myślowymi do ich najbardziej dziwacznych wniosków — pomimo sprzeciwu swojego współpracownika Anthony'ego Zee, znanego fizyka teoretycznego w Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara.

„Powiedziałem:„ Daj spokój, Tony, ludzie będą się z nas śmiać ”- powiedział Wilczka, obecnie profesor w Massachusetts Institute of Technology.

Inni nie byli tak niechętni. Naukowcy wydali miliony dolarów w ciągu ostatnich trzech dekad, próbując uchwycić i okiełznać podobne do cząstek obiekty, które noszą tajemniczą nazwę nieabelowych anyonów.

Teraz dwa przełomowe eksperymenty w końcu się powiodły i nikt się nie śmieje. „To był cel, a teraz jest trafiony” – powiedział Wilczek.

Fizycy współpracujący z firmą Quantinuum ogłosiła dziś że wykorzystali nowo zaprezentowany przez firmę procesor H2 nowej generacji syntetyzować i manipulować anyonami nieabelowymi w nowej fazie materii kwantowej. Następuje ich praca wydruk wstępny opublikował zeszłej jesieni, w którym naukowcy z Google świętowali pierwsze wyraźne przeplatanie się obiektów nieabelowych, dowód koncepcji, że informacje mogą być przechowywane i przetwarzane we wspólnej pamięci. Łącznie eksperymenty napinają rosnące mięśnie urządzeń kwantowych, oferując jednocześnie potencjalny wgląd w przyszłość komputerów: Utrzymując prawie niezniszczalne zapisy swoich podróży w czasie i przestrzeni, nieabelowe byty mogą zaoferować najbardziej obiecującą platformę do budowania odpornej na błędy komputery kwantowe.

„Jako czysta nauka, to po prostu, wow”, powiedział Ady'ego Sterna, teoretyk materii skondensowanej w Instytucie Nauki Weizmanna w Izraelu, który poświęcił swoją karierę na badanie obiektów. „To przybliża cię [do topologicznych obliczeń kwantowych]. Ale jeśli jest coś, co pokazało nam ostatnie kilka dekad, jest to długa i kręta droga”.

Komputery płaskie

W 1982 roku Wilczek pomógł fizykom otworzyć umysły na menażerię cząstek, które mogą istnieć w dwóch wymiarach. Opracował konsekwencje ograniczenia praw kwantowych do hipotetycznego, całkowicie płaskiego wszechświata i odkrył, że zawierałby on dziwne cząstki o ułamkowych spinach i ładunkach. Co więcej, zamiana nierozróżnialnych w inny sposób cząstek mogłaby zmienić je w sposób, który byłby niemożliwy w przypadku ich trójwymiarowych odpowiedników. Wilczka bezczelnie nazwane te dwuwymiarowe cząstki, ponieważ wydawały się zdolne do prawie wszystkiego.

Wilczek skupił się na najprostszych anyonach „abelowych”, cząstkach, które po zamianie zmieniają się w subtelny sposób, którego nie można bezpośrednio wykryć.

Zatrzymał się przed zbadaniem bardziej szalonej opcji — nieabelowych anyonów, cząstek, które mają wspólną pamięć. Zamiana pozycji dwóch nieabelowych anyonów daje bezpośrednio obserwowalny efekt. Zmienia stan ich wspólnej funkcji falowej, wielkości opisującej kwantową naturę systemu. Jeśli natkniesz się na dwa identyczne nieabelowe anyony, mierząc, w jakim są stanie, możesz stwierdzić, czy zawsze były w tych pozycjach, czy też przecinały ścieżki – moc, której nie może pochwalić się żadna inna cząsteczka.

Dla Wilczka koncepcja ta wydawała się zbyt fantastyczna, aby mogła rozwinąć się w teorię formalną. „Jakie stany materii je wspierają?” przypomniał sobie myślenie.

Ale w 1991 roku dwóch fizyków zidentyfikował te stany. Przewidywali, że pod wpływem wystarczająco silnych pól magnetycznych i wystarczająco niskich temperatur elektrony przyklejone do powierzchni będą wirować razem we właściwy sposób, tworząc nieabelowe anyony. Anyony nie byłyby cząstkami elementarnymi — zabrania tego nasz trójwymiarowy świat — ale „quasicząstki”. Są to zbiory cząstek, ale najlepiej traktować je jako pojedyncze jednostki. Kwazicząstki mają precyzyjne lokalizacje i zachowania, podobnie jak zbiory cząsteczek wody wytwarzają fale i wiry.

W 1997 roku Alexei Kitaev, teoretyk z California Institute of Technology, wskazał że takie kwazicząstki mogą stanowić doskonały fundament dla komputerów kwantowych. Fizycy od dawna ślinią się na myśl o możliwości wykorzystania świata kwantowego do wykonywania obliczeń poza zasięgiem typowych komputerów i ich binarnych bitów. Ale kubity, podobne do atomów elementy składowe komputerów kwantowych, są kruche. Ich funkcje falowe załamują się przy najlżejszym dotknięciu, wymazując ich pamięć i zdolność wykonywania obliczeń kwantowych. Ta słabość ma skomplikowane ambicje kontrolowania kubitów wystarczająco długo, aby mogły zakończyć długie obliczenia.

Kitajew zdał sobie sprawę, że wspólna pamięć nieabelowych anyonów może służyć jako idealny kubit. Na początek był plastyczny. Możesz zmienić stan kubitu — zamieniając zero na jeden — poprzez zamianę pozycji anyonów w sposób znany jako „splatanie”.

Można również odczytać stan kubitu. Kiedy na przykład najprostsze nieabelowe anyony zostaną zebrane i „połączone”, wyemitują kolejną kwazicząstkę tylko wtedy, gdy zostaną splecione. Ta kwazicząstka służy jako fizyczny zapis ich krzyżującej się podróży w czasie i przestrzeni.

Co najważniejsze, pamięć jest również prawie niezniszczalna. Tak długo, jak anyony są trzymane daleko od siebie, szturchanie jakiejkolwiek pojedynczej cząstki nie zmieni stanu, w jakim znajduje się para – czy to zero, czy jeden. W ten sposób ich pamięć zbiorowa zostaje skutecznie odcięta od kakofonii wszechświata.

„To byłoby idealne miejsce do ukrycia informacji” — powiedział Maissama Barkeshliego, teoretyk materii skondensowanej na Uniwersytecie Maryland.

Niesforne elektrony

Propozycja Kitajewa stała się znana jako „topologiczne” obliczenia kwantowe, ponieważ opierała się na topologii warkoczy. Termin ten odnosi się do szerokich cech plecionki — na przykład liczby zwojów — na które nie ma wpływu żadne specyficzne odkształcenie ich ścieżki. Większość badaczy uważa obecnie, że warkocze są przyszłością komputerów kwantowych, w takiej czy innej formie. Na przykład Microsoft zatrudnia badaczy, którzy próbują przekonać elektrony do bezpośredniego tworzenia nieabelowych anyonów. Firma zainwestowała już miliony dolarów w zbudowanie maleńkich drutów, które – w wystarczająco niskich temperaturach – powinny zawierać na końcach najprostsze rodzaje kwazicząstek, które można splatać. Oczekuje się, że w tak niskich temperaturach elektrony będą naturalnie gromadzić się, tworząc anyony, które z kolei można splatać w niezawodne kubity.

Jednak po dekadzie wysiłków badacze ci nadal są walczy o udowodnienie że ich podejście zadziała. Po głośnym twierdzeniu z 2018 r., że w końcu wykryli najprostszy typ nieabelowej kwazicząstki, znany jako „tryby zerowe Majorany”, w 2021 r. nastąpiło podobnie głośne wycofanie. Firma zgłosiła nowe postępy w 2022 przedruk, ale niewielu niezależnych badaczy spodziewa się wkrótce pomyślnego splatania.

Podobne próby przekształcenia elektronów w nieabelowe anyony również utknęły w martwym punkcie. Bob Willett z Nokia Bell Labs prawdopodobnie będzie najbliżej w swoich próbach uwięzienia elektronów w arsenku galu, gdzie obiecujące, ale subtelne znaki plecionek istnieje. Dane są jednak chaotyczne, a bardzo niska temperatura, ultraczyste materiały i ultrasilne pola magnetyczne sprawiają, że eksperyment jest trudny do odtworzenia.

„Istnieje długa historia nieobserwowania czegokolwiek” – powiedział Eun-Ah Kim Uniwersytetu Cornell.

Spieranie się elektronów nie jest jednak jedynym sposobem na tworzenie nieabelowych kwazicząstek.

„Zrezygnowałem z tego wszystkiego” – powiedział Kim, który spędził lata na wymyślaniu sposobów na wykrywanie kogokolwiek jako absolwent, a teraz współpracuje z Google. „Potem pojawiły się symulatory kwantowe”.

Zgodne kubity

Procesory kwantowe zmieniają polowanie na kogokolwiek. Zamiast próbować nakłonić hordy elektronów do ułożenia się w jednej linii, w ostatnich latach naukowcy zaczęli używać urządzeń do naginania poszczególnych kubitów do ich woli. Niektórzy fizycy uważają te wysiłki za symulacje, ponieważ kubity wewnątrz procesora są abstrakcjami cząstek (chociaż ich natura fizyczna różni się w zależności od laboratorium, można je wizualizować jako cząstki obracające się wokół osi). Ale kwantowa natura kubitów jest rzeczywista, więc — niezależnie od symulacji — procesory stały się placami zabaw dla eksperymentów topologicznych.

„To tchnie nowe życie” w pole, powiedział Fiony Burnell, teoretyk materii skondensowanej na University of Minnesota, „ponieważ tak trudno było stworzyć systemy w stanie stałym”.

Syntetyzowanie anyonów na procesorach kwantowych to alternatywny sposób wykorzystania mocy warkoczy Kitaeva: zaakceptuj, że twoje kubity są mierne i popraw ich błędy. Dzisiejsze tandetne kubity nie działają zbyt długo, więc każdy zbudowany z nich również miałby krótkie życie. Marzeniem jest szybkie i wielokrotne mierzenie grup kubitów i korygowanie pojawiających się błędów, wydłużając w ten sposób żywotność anynów. Pomiar usuwa informacje kwantowe pojedynczego kubitu poprzez załamanie jego funkcji falowej i przekształcenie go w klasyczny bit. Tak by się stało i tutaj, ale ważne informacje pozostałyby nietykalne — ukryte w zbiorowym stanie wielu osób. W ten sposób Google i inne firmy mają nadzieję na wsparcie kubitów szybkimi pomiarami i szybkimi poprawkami (w przeciwieństwie do niskich temperatur).

— Od czasu Kitajewa — powiedział Mike Zaletel, fizyk materii skondensowanej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, „w ten sposób ludzie myślą, że prawdopodobnie zadziała kwantowa korekcja błędów”.

Google wziął ważny krok w kierunku kwantowej korekcji błędów wiosną 2021 r., kiedy naukowcy zebrali około dwóch tuzinów kubitów w najprostszą siatkę zdolną do kwantowej korekcji błędów, fazę materii znaną jako kod toryczny.

Stworzenie kodu toric na procesorze Google'a sprowadza się do zmuszenia każdego kubitu do ścisłej współpracy z sąsiadami poprzez delikatne trącanie ich impulsami mikrofalowymi. Pozostawiony niezmierzony kubit wskazuje na superpozycję wielu możliwych kierunków. Procesor Google skutecznie ograniczył te opcje, zmuszając każdy kubit do koordynowania swojej osi obrotu z czterema sąsiadami w określony sposób. Chociaż kod toryczny ma właściwości topologiczne, które można wykorzystać do kwantowej korekcji błędów, nie zawiera natywnie nieabelowych kwazicząstek. W tym celu Google musiał zastosować dziwną sztuczkę od dawna znany do teoretyków: pewne niedoskonałości w siatce kubitów, zwane „defektami skrętu”, mogą nabrać magii nieabelowej.

Zeszłej jesieni Kim i Yuri Lensky, teoretycy z Cornell, wraz z badaczami Google opublikowali przepis na łatwo zrobić i splatanie par defektów w kodzie torycznym. W przedruku opublikowanym wkrótce potem eksperymentatorzy z Google zgłoszone wdrożenie pomysł, który polegał na zerwaniu połączeń między sąsiednimi kubitami. Wynikające z tego wady w siatce kubitów działały jak najprostsze rodzaje nieabelowych kwazicząstek, tryby zerowe Majorany firmy Microsoft.

„Moja pierwsza reakcja była taka: „Wow, Google właśnie zasymulował to, co Microsoft próbuje zbudować”. To był naprawdę wzruszający moment” – powiedział Tylera Ellisona, fizyk z Uniwersytetu Yale.

Zmieniając, które połączenia przecinają, naukowcy mogli przesuwać deformacje. Zrobili dwie pary nieabelowych defektów i przesuwając je po szachownicy o wymiarach pięć na pięć kubitów, ledwie udało im się ułożyć warkocz. Naukowcy odmówili komentarza na temat swojego eksperymentu, który jest przygotowywany do publikacji, ale inni eksperci chwalili to osiągnięcie.

„W wielu moich pracach rysowałem podobnie wyglądające obrazki” — powiedział Ellison. „To niesamowite, że faktycznie to zademonstrowali”.

Maluj według pomiaru

Przez cały czas grupa teoretyków na czele Ashvina Vishwanatha na Uniwersytecie Harvarda po cichu dążył do tego, co wielu uważa za jeszcze wznioślejszy cel: stworzenia bardziej skomplikowanej fazy materii kwantowej, w której prawdziwe nieabelowe anyony — w przeciwieństwie do defektów — powstają natywnie w nieskazitelnej fazie materii. „Wada [Google] jest czymś w rodzaju dziecka nieabelowego”, powiedział Burnell, który nie był zaangażowany w żadne wysiłki.

Anyony obu typów żyją w fazach materii o topologicznej naturze, określonych przez misterne gobeliny nici pajęczyny, połączenia kwantowe znane jako uwikłanie. Splątane cząstki zachowują się w skoordynowany sposób, a kiedy biliony cząstek zostają splątane, mogą falować w skomplikowanych fazach, czasami porównywanych do tańce. W fazach z porządkiem topologicznym splątanie organizuje cząstki w pętle wyrównanych spinów. Kiedy pętla jest przecięta, każdy koniec jest dowolny.

Porządek topologiczny występuje w dwóch odmianach. Proste fazy, takie jak kod toryczny, mają „porządek abelowy”. Tam luźne końce są abelowymi anyonami. Ale badacze poszukujący prawdziwych nieabelowych anyonów skupiają się na zupełnie innym i znacznie bardziej skomplikowanym gobelinie z nieabelowym porządkiem.

Grupa Vishwanatha pomogła ugotować faza z porządkiem abelowym w 2021 roku. Marzyli o pójściu dalej, ale łączenie kubitów w nieabelowe wzory splątania okazało się zbyt skomplikowane dla dzisiejszych niestabilnych procesorów. Dlatego załoga przeszukała literaturę w poszukiwaniu świeżych pomysłów.

Znaleźli wskazówkę w đôi of Papiery sprzed dziesięcioleci. Większość urządzeń kwantowych wykonuje obliczenia, masując swoje kubity tak, jak można by puchnąć poduszkę, w delikatny sposób, tak aby żadne wypełnienie nie wydostawało się przez szwy. Ostrożne splatanie splątania za pomocą tych „jednolitych” operacji wymaga czasu. Ale na początku 2000 roku Robert Raussendorf, fizyk obecnie pracujący na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej, poszedł na skróty. Sekret polegał na oddzieleniu fragmentów funkcji falowej za pomocą pomiaru – procesu, który normalnie zabija stany kwantowe.

„To naprawdę brutalna operacja” — powiedział Rubena Verresena, jeden ze współpracowników Vishwanatha na Harvardzie.

Raussendorf i jego współpracownicy szczegółowo opisali, w jaki sposób selektywne pomiary niektórych kubitów mogą przyjąć stan niesplątany i celowo wprowadzić go w stan splątania, proces, który Verresen porównuje do cięcia marmuru w celu wyrzeźbienia posągu.

Technika ta miała ciemną stronę, która początkowo skazywała badaczy na niepowodzenie prób stworzenia faz nieabelowych: pomiar daje losowe wyniki. Kiedy teoretycy skupili się na określonej fazie, pomiary pozostawiły przypadkowe plamki nieabelowe, tak jakby badacze próbowali namalować Mona Lisę, rozpryskując farbę na płótnie. „Wyglądało to na kompletny ból głowy” – powiedział Verresen.

Pod koniec 2021 roku grupa Vishwanatha wpadła na rozwiązanie: wyrzeźbienie funkcji falowej siatki kubitów z wieloma rundami pomiarów. W pierwszej rundzie zmienili nudną fazę materii w prostą fazę abelową. Następnie przekazali tę fazę do drugiej rundy pomiarów, dalej rzeźbiąc ją w bardziej skomplikowaną fazę. Grając w tę topologiczną kocią kołyskę, zdali sobie sprawę, że mogą zająć się przypadkowością, poruszając się krok po kroku, wspinając się po drabinie coraz bardziej skomplikowanych faz, aby osiągnąć faza z porządkiem nieabelowym.

„Zamiast losowo próbować pomiarów i sprawdzać, co otrzymujesz, chcesz przeskakiwać przez krajobraz faz materii” – powiedział Verresen. Jest to krajobraz topologiczny, który teoretycy mają dopiero od niedawna zaczął rozumieć.

Zeszłego lata grupa przetestowała swoją teorię na procesorze uwięzionych jonów H1 firmy Quantinuum, jednym z niewielu urządzeń kwantowych, które mogą wykonywać pomiary w locie. Podobnie jak grupa Google, oni stworzył abelowy kod toryczny i splatał jego nieabelowe wady. Próbowali uzyskać fazę nieabelową, ale nie mogli się tam dostać z zaledwie 20 kubitami.

Ale wtedy badacz z Quantinuum, Henrik Dreyer, wziął Verresena na bok. Po zobowiązaniu go do zachowania tajemnicy z umową o zachowaniu poufności, powiedział Verresenowi, że firma ma urządzenie drugiej generacji. Co najważniejsze, H2 miał aż 32 kubity. Wymagało to znacznych poprawek, ale zespołowi udało się ustawić najprostszą nieabelową fazę na 27 z tych kubitów. „Gdybyśmy mieli jeden lub dwa kubity mniej, nie sądzę, żebyśmy mogli to zrobić” – powiedział Vishwanath.

Ich eksperymenty były pierwszym niepodważalnym wykryciem nieabelowej fazy materii. „Urzeczywistnienie nieabelowego porządku topologicznego jest czymś, czego ludzie chcieli dokonać od dawna” — powiedział Burnell. „To zdecydowanie ważny punkt orientacyjny”.

Ich praca zakończyła się splataniem trzech par nieabelowych anyonów, tak że ich trajektorie w czasie i przestrzeni utworzyły wzór znany jako pierścienie boromejskie, pierwsze splatanie nieabelowych anyonów. Trzy pierścienie boromejskie są nierozłączne, gdy są razem, ale jeśli przetniesz jeden, pozostałe dwa się rozpadną.

„Jest coś w rodzaju czynnika gee-whiz” — powiedział Wilczek. „Wytwarzanie tych obiektów kwantowych wymaga ogromnej kontroli nad światem kwantowym”.

Big Chill

Gdy inni fizycy świętują te kamienie milowe, podkreślają również, że Google i Quantinuum prowadzą inny wyścig niż Microsoft i Willett. Tworzenie faz topologicznych na procesorze kwantowym jest jak tworzenie najmniejszej kostki lodu na świecie przez ułożenie kilkudziesięciu cząsteczek wody – mówią, że imponujące, ale nie tak satysfakcjonujące, jak obserwowanie, jak naturalnie formuje się tafla lodu.

„Podstawowa matematyka jest niezwykle piękna, a możliwość jej zweryfikowania jest zdecydowanie warta zachodu” – powiedział Chetana Nayaka, badacz w firmie Microsoft, który wykonał pionierską pracę nad systemami nieabelowymi. Ale ze swojej strony, powiedział, wciąż ma nadzieję, że system sam się ochłodzi, przechodząc w stan z tego rodzaju skomplikowanym wzorem splątania.

„Gdyby to było jednoznacznie widoczne w [eksperymentach Willetta], nasze umysły byłyby oszołomione” – powiedział Barkeshli. Oglądanie tego w procesorze kwantowym „jest fajne, ale nikt nie jest zachwycony”.

Według Barkeshli najbardziej ekscytującym aspektem tych eksperymentów jest ich znaczenie dla obliczeń kwantowych: naukowcy w końcu pokazali, że mogą wytworzyć niezbędne składniki, 26 lat po początkowej propozycji Kitaeva. Teraz muszą tylko dowiedzieć się, jak naprawdę zmusić ich do pracy.

Jednym z problemów jest to, że podobnie jak Pokémon, każdy występuje w ogromnej liczbie różnych gatunków, z których każdy ma swoje mocne i słabe strony. Na przykład niektórzy mają bogatsze wspomnienia z przeszłości, dzięki czemu ich warkocze mają większą moc obliczeniową. Ale nakłonienie ich do istnienia jest trudniejsze. Każdy konkretny schemat będzie musiał rozważyć takie kompromisy, z których wiele nie jest jeszcze zrozumiałych.

„Teraz, gdy mamy możliwość tworzenia różnych rodzajów porządku topologicznego, te rzeczy stają się rzeczywiste i możesz mówić o tych kompromisach w bardziej konkretny sposób” – powiedział Vishwanath.

Następnym kamieniem milowym będzie rzeczywista korekcja błędów, czego nie próbowało ani Google, ani Quantinuum. Ich plecione kubity były ukryte, ale nie chronione, co wymagałoby pomiaru nędznych kubitów i szybkiego naprawienia ich błędów w czasie rzeczywistym. Ta demonstracja byłaby przełomowym momentem w obliczeniach kwantowych, ale minęły lata – jeśli to w ogóle możliwe.

Do tego czasu optymiści mają nadzieję, że te ostatnie eksperymenty zapoczątkują cykl, w którym bardziej zaawansowane komputery kwantowe doprowadzą do lepszej kontroli nad nieabelowymi kwazicząstkami, a ta kontrola z kolei pomoże fizykom opracować bardziej wydajne urządzenia kwantowe.

„Wydobycie mocy pomiaru” — powiedział Wilczek — „to coś, co może zmienić reguły gry”.