Fysiker skapar svårfångade partiklar som minns sitt förflutna

För fyrtio år sedan funderade Frank Wilczek över en bisarr typ av partikel som bara kunde leva i ett platt universum. Hade han satt pennan på papper och gjort beräkningarna, skulle Wilczek ha funnit att dessa då teoretiska partiklar hade ett utomjordiskt minne av sitt förflutna, ett som var för grundligt vävt in i verkligheten för att någon störning skulle kunna radera det.

Men utan att se någon anledning till att naturen skulle tillåta sådana märkliga odjur att existera, valde den framtida nobelprisbelönade fysikern att inte följa sina tankeexperiment till deras mest besynnerliga slutsatser - trots invändningar från hans medarbetare Anthony Zee, en känd teoretisk fysiker vid University of California, Santa Barbara.

"Jag sa, 'Kom igen, Tony, folk kommer att göra narr av oss'", sa Wilczek, nu professor vid Massachusetts Institute of Technology.

Andra var inte så motvilliga. Forskare har spenderat miljontals dollar under de senaste tre decennierna eller så för att försöka fånga och tämja de partikelliknande föremålen, som går under den kryptiska monikern icke-abeliska vem som helst.

Nu har två landmärkeexperiment äntligen lyckats, och ingen skrattar. "Det här har varit ett mål, och nu är det träffat", sa Wilczek.

Fysiker som arbetar med företaget Quantinuum meddelade idag att de hade använt företagets nyligen avtäckta, nästa generations H2-processor till syntetisera och manipulera icke-abelska vem som helst i en ny fas av kvantmateria. Deras arbete följer en förtryck postade i höstas där forskare med Google firade den första tydliga sammanflätningen av icke-abelska objekt, ett bevis på att information kan lagras och manipuleras i deras delade minne. Tillsammans spänner experimenten den växande muskeln hos kvantenheter samtidigt som de ger en potentiell inblick i framtidens datoranvändning: Genom att upprätthålla nästan oförstörbara register över sina resor genom rum och tid, kan icke-abelska vem som helst erbjuda den mest lovande plattformen för att bygga feltoleranta kvantdatorer.

"Som ren vetenskap är det bara, wow," sa Ady Stern, en teoretiker för kondenserad materia vid Weizmann Institute of Science i Israel som har tillbringat sin karriär med att studera föremålen. "Detta tar dig närmare [topologisk kvantberäkning]. Men om det är något som de senaste decennierna har visat oss så är det en lång och slingrande väg.”

Flatland Computing

1982 hjälpte Wilczek att öppna fysikernas sinnen för menageriet av partiklar som kunde existera i två dimensioner. Han utarbetade konsekvenserna av att begränsa kvantlagarna till ett hypotetiskt, helt platt universum och fann att det skulle innehålla konstiga partiklar med bråkdelar och laddningar. Dessutom kan byte av annars oskiljaktiga partiklar förändra dem på sätt som var omöjliga för deras tredimensionella motsvarigheter. Wilczek fräckt heter dessa tvådimensionella partiklar vilka som helst, eftersom de verkade vara kapabla till nästan vad som helst.

Wilczek fokuserade på de enklaste "abelska" anyonerna, partiklar som, när de byts ut, förändras på subtila sätt som inte är direkt detekterbara.

Han slutade utforska det vildare alternativet - icke-abelska anyoner, partiklar som delar ett minne. Att byta positioner för två icke-abelska anyoner ger en direkt observerbar effekt. Den växlar tillståndet för deras delade vågfunktion, en kvantitet som beskriver ett systems kvantnatur. Om du snubblar över två identiska icke-abelska vem som helst, genom att mäta vilket tillstånd de befinner sig i, kan du se om de alltid har varit i dessa positioner eller om de har korsat vägar - en kraft som ingen annan partikel kan göra anspråk på.

För Wilczek verkade den föreställningen för fantastisk för att utvecklas till en formell teori. "Vilka typer av materia tillstånd stöder dessa?" kom han ihåg att han tänkte.

Men 1991 två fysiker identifierade dessa stater. De förutspådde att, när de utsätts för tillräckligt starka magnetfält och tillräckligt kalla temperaturer, skulle elektroner som fastnat på en yta virvla ihop på precis rätt sätt för att bilda icke-abelska anyoner. Anyonerna skulle inte vara grundläggande partiklar - vår 3D-värld förbjuder det - men "kvasipartiklar.” Dessa är samlingar av partiklar, men de ses bäst som individuella enheter. Kvasipartiklar har exakta placeringar och beteenden, precis som samlingar av vattenmolekyler producerar vågor och virvlar.

1997, Alexei Kitaev, en teoretiker vid California Institute of Technology, påpekade att sådana kvasipartiklar skulle kunna lägga den perfekta grunden för kvantdatorer. Fysiker har länge saliverat på möjligheten att utnyttja kvantvärlden för att utföra beräkningar utom räckhåll för typiska datorer och deras binära bitar. Men qubits, de atomliknande byggstenarna i kvantdatorer, är ömtåliga. Deras vågfunktioner kollapsar vid den lättaste beröring och raderar deras minnen och deras förmåga att utföra kvantberäkningar. Denna tunnhet har komplicerade ambitioner att kontrollera qubits tillräckligt länge för att de ska kunna slutföra långa beräkningar.

Kitaev insåg att det delade minnet av icke-abelska vem som helst kunde fungera som en idealisk qubit. Till att börja med var den formbar. Du kan ändra tillståndet för qubiten - vända en nolla till en etta - genom att byta ut positionerna för anyonerna på ett sätt som kallas "flätning".

Du kan också läsa av qubitens tillstånd. När de enklaste icke-abelska vem som helst förs samman och "sammansmälts", till exempel, kommer de att avge ytterligare en kvasipartikel endast om de har flätats. Denna kvasipartikel fungerar som en fysisk registrering av deras korsade resa genom tid och rum.

Och avgörande är att minnet också är nästan oförstörbart. Så länge som anyonerna hålls långt ifrån varandra, kommer att peta på en enskild partikel inte ändra tillståndet paret är i - oavsett om det är noll eller ett. På så sätt är deras kollektiva minne effektivt avskuret från universums kakofoni.

"Detta skulle vara det perfekta stället att dölja information," sa Maissam Barkeshli, en kondenserad materia-teoretiker vid University of Maryland.

Ostyriga elektroner

Kitaevs förslag kom att kallas "topologisk" kvantberäkning eftersom det förlitade sig på flätornas topologi. Termen hänvisar till breda egenskaper hos flätan - till exempel antalet varv - som inte påverkas av någon specifik deformation av deras väg. De flesta forskare tror nu att flätor är framtiden för kvantberäkningar, i en eller annan form. Microsoft har till exempel forskare som försöker övertala elektroner att bilda icke-abelska anyoner direkt. Redan har företaget investerat miljontals dollar i att bygga små trådar som - vid tillräckligt kyliga temperaturer - borde vara värd för de enklaste arterna av flätbara kvasipartiklar vid sina spetsar. Förväntningen är att vid dessa låga temperaturer kommer elektroner naturligt att samlas för att bilda anyoner, som i sin tur kan flätas in till pålitliga qubits.

Efter ett decennium av ansträngning är de forskarna fortfarande kvar kämpar för att bevisa att deras tillvägagångssätt kommer att fungera. Ett stänkande påstående från 2018 att de äntligen hade upptäckt den enklaste typen av icke-abelsk kvasipartikel, känd som "Majorana nolllägen", följdes av en liknande högprofilerad tillbakadragning 2021. Företaget rapporterade nya framsteg i en 2022 förtryck, men få oberoende forskare förväntar sig att se framgångsrik flätning snart.

Liknande försök att förvandla elektroner till icke-abelska anyoner har också avstannat. Bob Willett från Nokia Bell Labs har kommer nog närmast i sina försök att korral elektroner i galliumarsenid, där lovande men subtila tecken av flätning finns. Datan är dock rörig och den ultrakalla temperaturen, de ultrarena materialen och de ultrastarka magnetfälten gör experimentet svårt att reproducera.

"Det har varit en lång historia av att inte observera någonting," sa Eun-Ah Kim från Cornell University.

Att vrida elektroner är dock inte det enda sättet att göra icke-abelska kvasipartiklar.

"Jag hade gett upp allt det här", sa Kim, som ägnat år åt att hitta på sätt att upptäcka vem som helst som doktorand och nu samarbetar med Google. "Sedan kom kvantsimulatorerna."

Kompatibla Qubits

Kvantprocessorer förändrar jakten på vem som helst. Istället för att försöka locka horder av elektroner att falla i linje, har forskare på senare år börjat använda enheterna för att böja individuella qubits till deras vilja. Vissa fysiker överväger dessa ansträngningar simuleringar, eftersom qubits inuti processorn är abstraktioner av partiklar (medan deras fysiska karaktär varierar från labb till labb, kan du visualisera dem som partiklar som snurrar runt en axel). Men kvantiteten hos qubitarna är verklig, så - simuleringar eller inte - har processorerna blivit lekplatser för topologiska experiment.

"Det blåser nytt liv" i fältet, sa Fiona Burnell, en teoretiker av kondenserad materia vid University of Minnesota, "eftersom det har varit så svårt att göra solid state-system."

Att syntetisera alla på kvantprocessorer är ett alternativt sätt att utnyttja kraften i Kitaevs flätor: Acceptera att dina kvantbitar är mediokra och rätta till deras fel. Dagens luddiga qubits fungerar inte särskilt länge, så alla som byggs av dem skulle också ha kort livslängd. Drömmen är att snabbt och upprepade gånger mäta grupper av qubits och korrigera fel när de dyker upp, och därigenom förlänga livslängden för anyonerna. Mätning raderar en enskild qubits kvantinformation genom att kollapsa dess vågfunktion och förvandla den till en klassisk bit. Det skulle hända här också, men den viktiga informationen skulle förbli orörd – gömd i många vems som helst. På detta sätt hoppas Google och andra företag kunna stödja qubits med snabba mätningar och snabba korrigeringar (i motsats till låga temperaturer).

"Ända sedan Kitaev," sa Mike Zaletel, en fysiker för kondenserad materia vid University of California, Berkeley, "det här har varit hur folk tror att kvantfelskorrigering troligen kommer att fungera."

Google tog ett stort steg mot kvantfelskorrigering våren 2021, när forskare samlade ihop cirka två dussin kvantbitar i det enklaste rutnätet som kan kvantfelskorrigering, en fas av materia som kallas torisk kod.

Att skapa den toriska koden på Googles processor innebär att tvinga varje qubit att strikt samarbeta med sina grannar genom att försiktigt knuffa dem med mikrovågspulser. Om den lämnas omätad pekar en qubit i en överlagring av många möjliga riktningar. Googles processor minskade effektivt på dessa alternativ genom att få varje qubit att koordinera sin spinnaxel med sina fyra grannar på specifika sätt. Medan den toriska koden har topologiska egenskaper som kan användas för kvantfelkorrigering, är den inte värd för icke-abelska kvasipartiklar. För det var Google tvungen att vända sig till ett konstigt knep länge känd för teoretiker: vissa ofullkomligheter i rutnätet av qubits, kallade "twistdefekter", kan förvärva icke-abelsk magi.

I höstas publicerade Kim och Yuri Lensky, en teoretiker på Cornell, tillsammans med Google-forskare, ett recept på lätt att göra och fläta par av defekter i den toriska koden. I ett förtryck som publicerades kort efter, experimentalister på Google rapporterade genomförandet den idén, som innebar att bryta kopplingar mellan angränsande qubits. De resulterande bristerna i qubit-rutnätet fungerade precis som de enklaste arterna av icke-abelska kvasipartiklar, Microsofts Majorana-nolllägen.

"Min första reaktion var 'Wow, Google simulerade precis vad Microsoft försöker bygga. Det var ett riktigt flexibla ögonblick”, sa Tyler Ellison, fysiker vid Yale University.

Genom att justera vilka kopplingar de skär kunde forskarna flytta deformationerna. De gjorde två par icke-abelska defekter, och genom att skjuta dem runt ett schackbräde på fem gånger fem qubit fick de knappt ut en fläta. Forskarna avböjde att kommentera deras experiment, som förbereds för publicering, men andra experter berömde prestationen.

"I mycket av mitt arbete har jag klottrat bilder som ser liknande ut," sa Ellison. "Det är fantastiskt att se att de faktiskt visade detta."

Måla efter mått

Hela tiden ledde en grupp teoretiker upp av Ashvin Vishwanath vid Harvard University strävade tyst efter vad många anser vara ett ännu högre mål: att skapa en mer komplicerad fas av kvantmateria där sanna icke-abelska vem som helst - i motsats till defekter - uppstår naturligt i en orörd fas av materia. "[Googles] defekt är typ av en baby-icke-abelsk sak", sa Burnell, som inte var inblandad i någon av ansträngningarna.

Alla av båda typerna lever i faser av materia med en topologisk natur definierad av invecklade gobelänger av gossamer-trådar, kvantkopplingar kända som intrassling. Intrasslade partiklar beter sig på ett koordinerat sätt, och när biljoner partiklar trasslar in sig kan de krusa i komplicerade faser som ibland liknas vid danser. I faser med topologisk ordning organiserar intrassling partiklar i slingor av inriktade snurr. När en slinga skärs är varje ände en anyon.

Topologisk ordning finns i två smaker. Enkla faser som den toriska koden har "abelsk ordning". Där är lösa ändar abelska anyoner. Men forskare som söker äkta icke-abelska vem som helst har siktet inställt på en helt annan och mycket mer komplicerad gobeläng med icke-abelsk ordning.

Vishwanaths grupp hjälpte till att laga en fas med abelsk ordning år 2021. De drömde om att gå längre, men att sy qubits till icke-abelska förvecklingsmönster visade sig vara för komplicerat för dagens instabila processorer. Så besättningen letade igenom litteraturen efter nya idéer.

De hittade en ledtråd i en par of papper från årtionden tidigare. De flesta kvantenheter beräknar genom att massera sina kvantbitar ungefär som man kan luda en kudde, på ett skonsamt sätt där ingen stoppning flyger ut genom sömmarna. Att noggrant sticka trassling genom dessa "enhetliga" operationer tar tid. Men i början av 2000-talet slog Robert Raussendorf, en fysiker vid University of British Columbia, på en genväg. Hemligheten var att hacka bort delar av vågfunktionen med hjälp av mätning - processen som normalt dödar kvanttillstånd.

"Det är en riktigt våldsam operation," sa Ruben Verresen, en av Vishwanaths medarbetare vid Harvard.

Raussendorf och hans medarbetare beskrev hur selektiva mätningar på vissa qubits kunde ta ett icke intrasslat tillstånd och avsiktligt försätta det i ett intrasslat tillstånd, en process som Verresen liknar med att skära bort marmor för att skulptera en staty.

Tekniken hade en mörk sida som till en början dömde forskarnas försök att göra icke-abelska faser: Mätning ger slumpmässiga utfall. När teoretikerna riktade in sig på en viss fas, lämnade mätningar icke-abelska vem som helst spräckliga omkring, som om forskarna försökte måla Mona Lisa genom att stänka färg på en duk. "Det verkade som en fullständig huvudvärk," sa Verresen.

Mot slutet av 2021 hittade Vishwanaths grupp en lösning: att skulptera vågfunktionen hos ett qubit-nät med flera mätomgångar. Med den första omgången förvandlade de en tråkig fas av materia till en enkel abelsk fas. Sedan matade de fram den fasen till en andra omgång mätningar, och mejslade den ytterligare till en mer komplicerad fas. Genom att spela det här spelet med topologisk kattvagga insåg de att de kunde ta itu med slumpmässighet medan de rörde sig steg för steg och klättrade på en stege med allt mer komplicerade faser för att nå en fas med icke-abelsk ordning.

"Istället för att slumpmässigt prova mätningar och se vad du får, vill du hoppa över landskapet av faser av materia," sa Verresen. Det är ett topologiskt landskap som teoretiker har nyligen börjat förstå.

Förra sommaren satte gruppen sin teori på prov på Quantinuums H1 fångade-jon-processor, en av de enda kvantenheterna som kan utföra mätningar i farten. Liksom Google-gruppen, de gjorde den abelska toriska koden och flätade dess icke-abelska defekter. De försökte för en icke-abelsk fas men kunde inte komma dit med bara 20 qubits.

Men så tog en forskare vid Quantinuum, Henrik Dreyer, Verresen åt sidan. Efter att ha svurit honom till sekretess med ett sekretessavtal berättade han för Verresen att företaget hade en andra generationens enhet. Avgörande var att H2 hade hela 32 qubits. Det krävdes rejält slutarbete, men teamet lyckades sätta upp den enklaste icke-abelska fasen på 27 av dessa qubits. "Om vi ​​hade en eller två qubits färre, tror jag inte att vi kunde ha gjort det," sa Vishwanath.

Deras experiment markerade den första ointagliga upptäckten av en icke-abelisk fas av materia. "Att förverkliga en icke-abelsk topologisk ordning är något som människor har velat göra under lång tid," sa Burnell. "Det är definitivt ett viktigt landmärke."

Deras arbete kulminerade i att fläta tre par icke-abelska anyoner så att deras banor genom rum och tid bildade ett mönster som kallas borromeiska ringar, den första flätningen av icke-abelska anyoner. Tre borromeiska ringar är oskiljaktiga när de är tillsammans, men om du klipper en kommer de andra två att falla isär.

"Det finns en sorts jäkla faktor," sa Wilczek. "Det krävs enorm kontroll över kvantvärlden för att producera dessa kvantobjekt."

The Big Chill

När andra fysiker firar dessa milstolpar, betonar de också att Google och Quantinuum kör ett annat lopp än sådana som Microsoft och Willett. Att skapa topologiska faser på en kvantprocessor är som att göra världens minsta isbit genom att stapla några dussin vattenmolekyler - imponerande, säger de, men inte alls lika tillfredsställande som att se en isskiva bildas naturligt.

"Den underliggande matematiken är extremt vacker, och att kunna validera det är definitivt värt besväret," sa Chetan Nayak, en forskare på Microsoft som har gjort banbrytande arbete på icke-abelska system. Men för sin del, sa han, hoppas han fortfarande på att se ett system bosätta sig i ett tillstånd med den här sortens invecklade intrasslingsmönster på egen hand när det kyls ned.

"Om detta otvetydigt sågs i [Willetts experiment], skulle våra sinnen vara blåsta," sa Barkeshli. Att se det i en kvantprocessor "är coolt, men ingen blir blåst."

Den mest spännande aspekten av dessa experiment, enligt Barkeshli, är deras betydelse för kvantberäkningar: Forskare har äntligen visat att de kan göra de nödvändiga ingredienserna, 26 år efter Kitaevs första förslag. Nu behöver de bara ta reda på hur de verkligen ska få dem att fungera.

En nackdel är att vem som helst, precis som Pokémon, finns i ett enormt antal olika arter, var och en med sina egna styrkor och svagheter. Vissa har till exempel rikare minnen av sitt förflutna, vilket gör deras flätor mer beräkningskraftiga. Men att få dem att existera är svårare. Varje specifikt system måste väga sådana avvägningar, av vilka många ännu inte är förstått.

"Nu när vi har förmågan att skapa olika typer av topologisk ordning, blir dessa saker verkliga, och du kan prata om dessa avvägningar i mer konkreta termer," sa Vishwanath.

Nästa milstolpe blir verklig felkorrigering, vilket varken Google eller Quantinuum försökte. Deras flätade qubits var dolda men inte skyddade, vilket skulle ha krävt att man mätte de smutsiga underliggande qubitarna och snabbt fixade deras fel i realtid. Den demonstrationen skulle vara en vattendelare inom kvantberäkning, men det är år borta - om det ens är möjligt.

Tills dess hoppas optimister att dessa senaste experiment kommer att starta en cykel där mer avancerade kvantdatorer leder till bättre kontroll över icke-abelska kvasipartiklar, och den kontrollen i sin tur hjälper fysiker att utveckla mer kapabla kvantenheter.

"Bara att ta fram kraften i mätning," sa Wilczek, "det är något som kan förändra spelet."