Физики создали неуловимые частицы, которые помнят свое прошлое

Сорок лет назад Фрэнк Вилчек размышлял над причудливым типом частиц, которые могли жить только в плоской Вселенной. Если бы он взял перо на бумаге и провел расчеты, Вильчек обнаружил бы, что эти тогда еще теоретические частицы хранят в себе потустороннюю память о своем прошлом, память, слишком тесно вплетенную в ткань реальности, чтобы любое нарушение могло ее стереть.

Однако, не видя причин, по которым природа должна допускать существование таких странных зверей, будущий физик, лауреат Нобелевской премии, предпочел не доводить свои мысленные эксперименты до самых нелепых выводов — несмотря на возражения своего сотрудника Энтони Зи, известного физика-теоретика из Калифорнийский университет в Санта-Барбаре.

«Я сказал: «Да ладно, Тони, люди будут насмехаться над нами». Вильчек, ныне профессор Массачусетского технологического института.

Другие не были столь неохотны. Исследователи потратили миллионы долларов за последние три десятилетия или около того, пытаясь поймать и приручить частицы, подобные объектам, которые носят загадочное прозвище неабелевых анионов.

Теперь два знаковых эксперимента, наконец, увенчались успехом, и никто не смеется. «Это была цель, и теперь она поражена», — сказал Вильчек.

Физики, работающие с компанией Quantinuum объявила сегодня что они использовали недавно представленный компанией процессор нового поколения H2 для синтезировать и манипулировать неабелевыми анионами в новой фазе квантовой материи. Их работа следует препринт опубликовано прошлой осенью, в котором исследователи из Google отметили первое явное переплетение неабелевых объектов, доказательство того, что информация может храниться и манипулироваться в их общей памяти. Вместе эти эксперименты напрягают растущую мощь квантовых устройств, предлагая возможность заглянуть в будущее вычислений: сохраняя почти неразрушимые записи о своих путешествиях в пространстве и времени, неабелевские анионы могут предложить наиболее многообещающую платформу для создания устойчивых к ошибкам систем. квантовые компьютеры.

«Как чистая наука, это просто вау», — сказал Эди Стерн, специалист по теории конденсированных сред из Института науки Вейцмана в Израиле, посвятивший свою карьеру изучению этих объектов. «Это приближает вас [к топологическим квантовым вычислениям]. Но если есть что-то, что показали нам последние несколько десятилетий, так это долгий и извилистый путь».

Флатландские вычисления

В 1982 году Вильчек помог физикам открыть для себя целый зверинец частиц, которые могут существовать в двух измерениях. Он проанализировал последствия ограничения квантовых законов гипотетической, полностью плоской Вселенной и обнаружил, что она будет содержать странные частицы с дробными спинами и зарядами. Более того, замена неотличимых друг от друга частиц может изменить их таким образом, что это невозможно для их трехмерных аналогов. Вильчек дерзко названный эти двумерные частицы свободны, так как они, казалось, способны практически на все.

Вильчек сосредоточился на простейших «абелевых» анионах, частицах, которые при обмене местами изменяются тонкими способами, которые невозможно обнаружить напрямую.

Он не стал исследовать более дикий вариант — неабелевы анионы, частицы с общей памятью. Замена местами двух неабелевых анионов дает непосредственно наблюдаемый эффект. Он переключает состояние их общей волновой функции — величины, описывающей квантовую природу системы. Если вы наткнетесь на два идентичных неабелевых эниона, измерив, в каком они состоянии, вы сможете сказать, всегда ли они были в этих положениях или их пути пересекались — сила, на которую не может претендовать ни одна другая частица.

Вильчеку это представление казалось слишком фантастическим, чтобы превратиться в формальную теорию. «Какие состояния материи поддерживают их?» — вспомнил он.

Но в 1991 году два физика идентифицировал эти государства. Они предсказали, что под воздействием достаточно сильных магнитных полей и достаточно низких температур электроны, прилипшие к поверхности, будут закручиваться вместе именно таким образом, чтобы образовать неабелевы анионы. Анионы не были бы фундаментальными частицами — наш трехмерный мир запрещает это, — ноквазичастицы». Это наборы частиц, но лучше всего рассматривать их как отдельные единицы. Квазичастицы имеют точное местоположение и поведение, точно так же, как совокупность молекул воды создает волны и водовороты.

В 1997 году Алексей Китаев, теоретик Калифорнийского технологического института, отметил, что такие квазичастицы могут заложить идеальную основу для квантовых компьютеров. Физики уже давно пускают слюни при мысли о возможности использования квантового мира для выполнения вычислений, недоступных для обычных компьютеров и их двоичных битов. Но кубиты, атомоподобные строительные блоки квантовых компьютеров, хрупки. Их волновые функции разрушаются при малейшем прикосновении, стирая их память и способность выполнять квантовые вычисления. Эта хрупкость усложняет амбиции контролировать кубиты достаточно долго, чтобы они могли завершить длительные вычисления.

Китаев понял, что общая память неабелевых анионов может служить идеальным кубитом. Для начала он был податлив. Вы можете изменить состояние кубита — перевернуть ноль на единицу — поменяв местами анионы способом, известным как «плетение».

Вы также можете прочитать состояние кубита. Когда простейшие неабелевы анионы собираются вместе и «сливаются», например, они испускают другую квазичастицу только в том случае, если они были сплетены. Эта квазичастица служит физической записью их путешествия через пространство и время.

И самое главное, память почти неподкупна. Пока анионы находятся далеко друг от друга, нажатие на любую отдельную частицу не изменит состояние, в котором находится пара — будь то ноль или единица. Таким образом, их коллективная память фактически отрезана от какофонии вселенной.

«Это было бы идеальным местом, чтобы скрыть информацию», — сказал Маиссам Баркешли, специалист по теории конденсированного состояния в Мэрилендском университете.

Непослушные электроны

Предложение Китаева стало известно как «топологические» квантовые вычисления, потому что оно опиралось на топологию кос. Этот термин относится к широким характеристикам косы — например, количеству витков — на которые не влияет какая-либо конкретная деформация их пути. Большинство исследователей теперь считают, что косы — это будущее квантовых вычислений в той или иной форме. Например, в Microsoft есть исследователи, пытающиеся убедить электроны напрямую образовывать неабелевы анионы. Компания уже вложила миллионы долларов в создание крошечных проводов, которые при достаточно низких температурах должны содержать на своих концах простейшие разновидности квазичастиц, пригодных для плетения. Ожидается, что при этих низких температурах электроны будут естественным образом собираться в анионы, которые, в свою очередь, могут быть сплетены в надежные кубиты.

Однако после десятилетия усилий эти исследователи все еще пытается доказать что их подход будет работать. За шумным заявлением 2018 года о том, что они, наконец, обнаружили простейший тип неабелевой квазичастицы, известный как «нулевые моды Майораны», последовало столь же громкое опровержение в 2021 году. Компания сообщила о новом прогрессе в препринт 2022 г., но немногие независимые исследователи ожидают увидеть успешное плетение в ближайшее время.

Аналогичные попытки превратить электроны в неабелевы анионы также зашли в тупик. Боб Уиллетт из Nokia Bell Labs наверное ближе всего в его попытках загнать электроны в арсенид галлия, где многообещающие, но тонкие признаки плетения существуют. Однако данные запутаны, а сверхнизкая температура, сверхчистые материалы и сверхсильные магнитные поля затрудняют воспроизведение эксперимента.

«Долгая история ничего не наблюдала», — сказал Ын-А Ким Корнельского университета.

Однако борьба с электронами — не единственный способ создания неабелевых квазичастиц.

«Я отказался от всего этого», — сказал Ким, который в аспирантуре годами разрабатывал способы обнаружения людей, а теперь сотрудничает с Google. «Затем появились квантовые симуляторы».

Совместимые кубиты

Квантовые процессоры меняют охоту за кем угодно. Вместо того, чтобы пытаться уговорить орды электронов выстроиться в линию, в последние годы исследователи начали использовать устройства, чтобы подчинить отдельные кубиты своей воле. Некоторые физики считают эти усилия симуляцией, потому что кубиты внутри процессора представляют собой абстракции частиц (хотя их физическая природа варьируется от лаборатории к лаборатории, вы можете визуализировать их как частицы, вращающиеся вокруг оси). Но квантовая природа кубитов реальна, поэтому — симуляции или нет — процессоры стали площадками для топологических экспериментов.

«Это вдыхает новую жизнь» в поле, сказал Фиона Бернелл, специалист по теории конденсированных сред из Миннесотского университета, «потому что было очень сложно создавать твердотельные системы».

Синтез анионов на квантовых процессорах — это альтернативный способ использовать мощь Китаевских кос: смиритесь с тем, что ваши кубиты посредственны, и исправьте их ошибки. Сегодняшние некачественные кубиты не работают очень долго, поэтому любой построенный на их основе также будет иметь короткую жизнь. Мечта состоит в том, чтобы быстро и многократно измерять группы кубитов и исправлять ошибки по мере их возникновения, тем самым продлевая срок службы анионов. Измерение стирает квантовую информацию отдельного кубита, разрушая его волновую функцию и превращая его в классический бит. Это произошло бы и здесь, но важная информация осталась бы неприкосновенной — скрытой в коллективном состоянии многих людей. Таким образом, Google и другие компании надеются укрепить кубиты с помощью быстрых измерений и быстрых исправлений (в отличие от низких температур).

-- С тех пор, как Китаев, -- сказал Майк Залетель, специалист по физике конденсированных сред из Калифорнийского университета в Беркли, «люди думают, что именно так будет работать квантовая коррекция ошибок».

Google взял важный шаг к квантовой коррекции ошибок весной 2021 года, когда исследователи собрали около двух десятков кубитов в простейшую сетку, способную к квантовой коррекции ошибок, фазу материи, известную как торический код.

Создание торического кода на процессоре Google сводится к тому, чтобы заставить каждый кубит строго сотрудничать со своими соседями, мягко подталкивая их микроволновыми импульсами. Кубит, не измеренный, указывает на суперпозицию многих возможных направлений. Процессор Google эффективно сократил эти варианты, заставив каждый кубит определенным образом координировать свою ось вращения с четырьмя соседями. Хотя торический код обладает топологическими свойствами, которые можно использовать для квантовой коррекции ошибок, он изначально не содержит неабелевых квазичастиц. Для этого Google пришлось прибегнуть к странному трюку давно известный теоретикам: некоторые несовершенства в решетке кубитов, получившие название «дефекты кручения», могут приобретать неабелеву магию.

Прошлой осенью Ким и Юрий Ленский, теоретик из Корнелла, вместе с исследователями Google опубликовали рецепт легко сделать и сплетение пар дефектов в торическом коде. В препринте, опубликованном вскоре после этого, экспериментаторы из Google сообщил о реализации эта идея заключалась в разрыве связей между соседними кубитами. Возникшие в результате дефекты в сетке кубитов действовали точно так же, как простейшие виды неабелевых квазичастиц, нулевые моды Майораны Microsoft.

«Моей первой реакцией было: «Вау, Google только что смоделировал то, что пытается создать Microsoft. Это был настоящий переломный момент», — сказал Тайлер Эллисон, физик из Йельского университета.

Изменяя соединения, которые они разрезают, исследователи могли перемещать деформации. Они создали две пары неабелевых дефектов и, двигая их по шахматной доске размером пять на пять кубитов, едва вытянули косу. Исследователи отказались комментировать свой эксперимент, который готовится к публикации, но другие эксперты высоко оценили достижение.

«Во многих своих работах я рисовал похожие картинки, — сказал Эллисон. «Удивительно видеть, что они действительно продемонстрировали это».

Краска по измерению

Все это время группа теоретиков во главе с Эшвин Вишванат в Гарвардском университете незаметно преследовали то, что многие считают еще более высокой целью: создать более сложную фазу квантовой материи, в которой настоящие неабелевы анионы — в отличие от дефектов — изначально возникают в первозданной фазе материи. «Дефект [Google] — своего рода детская неабелева вещь», — сказал Бернелл, который не участвовал ни в одной из этих попыток.

Ионы обоих типов живут в фазах материи с топологической природой, определяемой замысловатыми гобеленами тонких нитей, квантовыми связями, известными как запутанность. Запутанные частицы ведут себя скоординированным образом, и когда триллионы частиц запутываются, они могут колебаться в сложных фазах, которые иногда сравнивают с танцы. В фазах с топологическим порядком запутанность организует частицы в петли выровненных спинов. Когда петля разрезается, каждый ее конец является любым.

Топологический порядок бывает двух видов. Простые фазы, такие как торический код, имеют «абелев порядок». Там свободные концы — это абелевы анионы. Но исследователи, ищущие истинные неабелевы анионы, нацелились на совершенно другую и гораздо более сложную картину с неабелевым порядком.

Группа Вишваната помогла приготовить фаза с абелевым порядком в 2021 году. Они мечтали пойти дальше, но сшивание кубитов в неабелевы схемы запутывания оказалось слишком сложным для сегодняшних нестабильных процессоров. Поэтому команда прошерстила литературу в поисках свежих идей.

Они нашли подсказку в пара of бумага от десятилетий назад. Большинство квантовых устройств вычисляют, массируя свои кубиты так же, как взбивают подушку, осторожно, так, чтобы начинка не вылетала из швов. Тщательное вязание опутывания посредством этих «унитарных» операций требует времени. Но в начале 2000-х Роберт Рауссендорф, физик, ныне работающий в Университете Британской Колумбии, нашел более короткий путь. Секрет заключался в том, чтобы отделить куски волновой функции с помощью измерения — процесса, который обычно убивает квантовые состояния.

«Это действительно жестокая операция, — сказал Рубен Верресен, один из сотрудников Вишваната в Гарварде.

Рауссендорф и его сотрудники подробно рассказали, как выборочные измерения определенных кубитов могут привести к незапутанному состоянию и намеренно перевести его в запутанное состояние, процесс, который Веррезен сравнивает с вырезанием мрамора для лепки статуи.

У этой техники была темная сторона, которая изначально обрекала попытки исследователей создать неабелевы фазы: измерение дает случайные результаты. Когда теоретики нацеливались на конкретную фазу, измерения оставляли неабелевы анионы случайными пятнами, как если бы исследователи пытались нарисовать Мону Лизу, разбрызгивая краску на холст. «Это походило на полную головную боль», — сказал Верресен.

К концу 2021 года группа Вишваната нашла решение: смоделировать волновую функцию сетки кубитов с помощью нескольких раундов измерений. В первом раунде они превратили скучную фазу материи в простую абелеву фазу. Затем они передали эту фазу во второй раунд измерений, далее разбивая ее на более сложную фазу. Играя в эту игру топологической кошачьей колыбели, они поняли, что могут обращаться со случайностью, двигаясь шаг за шагом, поднимаясь по лестнице со все более сложными фазами, чтобы достичь фаза с неабелевым порядком.

«Вместо случайных попыток измерений и просмотра того, что вы получите, вы хотите прыгать по ландшафту фаз материи», — сказал Верресен. Это топологический ландшафт, который теоретики только недавно открыли. начал понимать.

Прошлым летом группа проверила свою теорию на процессоре Quantinuum с захваченными ионами H1, одном из немногих квантовых устройств, которые могут выполнять измерения на лету. Как и группа Google, они составил абелев торический код и заплела его неабелевы дефекты. Они пытались создать неабелеву фазу, но не смогли этого сделать, имея всего 20 кубитов.

Но затем исследователь из Quantinuum Хенрик Дрейер отвел Верресена в сторону. После того, как он поклялся хранить в тайне соглашение о неразглашении, он сказал Верресену, что у компании есть устройство второго поколения. Важно отметить, что у H2 было целых 32 кубита. Это потребовало значительных усилий, но команде удалось настроить простейшую неабелеву фазу на 27 из этих кубитов. «Если бы у нас было на один или два кубита меньше, я не думаю, что мы смогли бы это сделать», — сказал Вишванат.

Их эксперименты ознаменовали первое неопровержимое обнаружение неабелевой фазы материи. «Реализовать неабелев топологический порядок — это то, к чему люди давно стремились», — сказал Бернелл. «Это определенно важная достопримечательность».

Их работа завершилась сплетением трех пар неабелевых анионов, так что их траектории в пространстве и времени образовали узор, известный как кольца Борромео, первое сплетение неабелевых анионов. Три кольца Борромео вместе неразделимы, но если разрезать одно, то два других развалятся.

«Есть своего рода фактор гениальности», — сказал Вильчек. «Для создания этих квантовых объектов требуется огромный контроль над квантовым миром».

Big Chill

Отмечая эти вехи, другие физики также подчеркивают, что Google и Quantinuum участвуют в другой гонке, чем Microsoft и Willett. Создание топологических фаз на квантовом процессоре похоже на изготовление самого крошечного в мире кубика льда из нескольких десятков молекул воды — впечатляюще, говорят они, но не так приятно, как наблюдать за естественным формированием ледяной глыбы.

«Основная математика чрезвычайно красива, и возможность проверить ее определенно стоит того», — сказал он. Четан Наяк, исследователь Microsoft, проделавший новаторскую работу по неабелевым системам. Но, со своей стороны, сказал он, он все еще надеется увидеть, как система сама по себе перейдет в состояние с таким запутанным паттерном при охлаждении.

«Если бы это было однозначно замечено в [экспериментах Уиллетта], мы были бы взорваны», — сказал Баркешли. Увидеть это в квантовом процессоре «круто, но никто не сдуется».

Самым захватывающим аспектом этих экспериментов, по словам Баркешли, является их значение для квантовых вычислений: исследователи наконец показали, что они могут производить необходимые ингредиенты, спустя 26 лет после первоначального предложения Китаева. Теперь им просто нужно выяснить, как заставить их работать.

Одна загвоздка в том, что, как и покемоны, энионы бывают огромного количества разных видов, каждый со своими сильными и слабыми сторонами. Некоторые, например, имеют более богатые воспоминания о своем прошлом, что делает их косы более вычислительно мощными. Но уговорить их существовать сложнее. Любая конкретная схема должна будет взвесить такие компромиссы, многие из которых еще не поняты.

«Теперь, когда у нас есть возможность создавать различные виды топологического порядка, эти вещи становятся реальными, и вы можете говорить об этих компромиссах в более конкретных терминах», — сказал Вишванат.

Следующей вехой станет реальное исправление ошибок, чего не предпринимали ни Google, ни Quantinuum. Их плетеные кубиты были спрятаны, но не защищены, что потребовало бы измерения лежащих в основе вшивых кубитов и быстрого исправления их ошибок в режиме реального времени. Эта демонстрация стала бы переломным моментом в квантовых вычислениях, но до нее еще далеко — если это вообще возможно.

А до тех пор оптимисты надеются, что эти недавние эксперименты запустят цикл, в котором более продвинутые квантовые компьютеры приведут к лучшему управлению неабелевыми квазичастицами, а этот контроль, в свою очередь, поможет физикам разрабатывать более совершенные квантовые устройства.

«Просто демонстрация силы измерения, — сказал Вильчек, — это то, что может изменить правила игры».