Фізики створюють невловимі частинки, які пам’ятають своє минуле

Сорок років тому Френк Вільчек розмірковував про химерний тип частинок, які могли б жити лише у плоскому Всесвіті. Якби він поклав перо на папір і зробив обчислення, Вільчек виявив би, що ці тодішні теоретичні частинки зберігають потойбічну пам’ять про своє минуле, надто глибоко вплетену в тканину реальності, щоб будь-яке порушення могло її стерти.

Однак, не бачачи жодних причин для того, щоб природа дозволяла таким дивним звірам існувати, майбутній фізик, лауреат Нобелівської премії, вирішив не доводити свої експерименти до найдивовижніших висновків — незважаючи на заперечення його колеги Ентоні Зі, відомого фізика-теоретика з Каліфорнійський університет, Санта-Барбара.

«Я сказав: «Давай, Тоні, люди будуть з нас сміятися», — сказав Вільчек, нині професор Массачусетського технологічного інституту.

Інші не були такими неохочими. Протягом останніх трьох десятиліть дослідники витратили мільйони доларів, намагаючись захопити та приборкати частинкоподібні об’єкти, які називаються неабелевими аніонами.

Тепер два знакові експерименти нарешті вдалися, і ніхто не сміється. «Це була ціль, і тепер вона вражена», — сказав Вільчек.

Фізики співпрацюють з компанією Quantinuum оголосила сьогодні для чого вони використали нещодавно представлений процесор H2 наступного покоління синтезувати та маніпулювати неабелевими аніонами на новій фазі квантової матерії. Далі йде їх робота препринт опубліковано восени минулого року, в якому дослідники з Google відзначили перше чітке переплетення неабелевих об’єктів, доказ концепції того, що інформацію можна зберігати та маніпулювати в їхній спільній пам’яті. Разом експерименти напружують м’язи квантових пристроїв, що зростають, і водночас пропонують потенційний погляд на майбутнє обчислювальної техніки: зберігаючи майже незнищенні записи своїх подорожей у просторі та часі, неабелеві аніони можуть запропонувати найперспективнішу платформу для створення стійких до помилок квантові комп'ютери.

«Як чиста наука, це просто вау», — сказав Аді Стерн, теоретик конденсованого середовища з Інституту науки Вейцмана в Ізраїлі, який присвятив свою кар’єру дослідженню об’єктів. «Це наближає вас [до топологічних квантових обчислень]. Але якщо щось показали нам останні кілька десятиліть, так це довгий і звивистий шлях».

Flatland Computing

У 1982 році Вільчек допоміг відкрити розуму фізиків звіринець частинок, які могли існувати у двох вимірах. Він розробив наслідки обмеження квантових законів гіпотетичним, повністю плоским Всесвітом і виявив, що він міститиме дивні частинки з дробовими спінами та зарядами. Крім того, заміна нерозрізнених часток може змінити їх таким чином, що неможливо для їх тривимірних аналогів. Вільчек нахабно названий ці двовимірні частинки аніони, оскільки вони, здавалося, здатні майже на все.

Вільчек зосереджувався на найпростіших «абелевих» аніонах, частинках, які, змінюючись місцями, змінюються тонкими способами, які неможливо безпосередньо виявити.

Він зупинився на дослідженні більш дикого варіанту — неабелевих анйонів, частинок, які мають спільну пам’ять. Зміни місць розташування двох неабелевих анйонів спричиняють безпосередньо спостережуваний ефект. Він перемикає стан їхньої спільної хвильової функції, величини, яка описує квантову природу системи. Якщо ви натрапите на два ідентичні неабелеві аніони, вимірявши, у якому стані вони перебувають, ви зможете визначити, чи вони завжди перебували в цих позиціях, чи вони перетиналися — потужність, на яку не може претендувати жодна інша частинка.

Вільчеку ця ідея здавалася надто фантастичною, щоб розвинути її у формальну теорію. «Які стани матерії це підтверджують?» він пригадав думки.

Але в 1991 році двоє фіз визначили ці стани. Вони передбачили, що під впливом достатньо сильних магнітних полів і досить низьких температур електрони, що прилипли до поверхні, будуть обертатися разом у правильний спосіб, утворюючи неабелеві анйони. Айони не були б фундаментальними частинками — наш тривимірний світ це забороняє, — але «квазічастинки.” Це сукупності частинок, але найкраще їх розглядати як окремі одиниці. Квазічастинки мають точне розташування та поведінку, подібно до того, як сукупності молекул води створюють хвилі та вири.

У 1997 році Олексій Китаєв, теоретик Каліфорнійського технологічного інституту, зазначив, що такі квазічастинки можуть закласти ідеальну основу для квантових комп’ютерів. Фізики довго чекали слини на можливість використання квантового світу для виконання обчислень за межами досяжності звичайних комп’ютерів та їхніх двійкових бітів. Але кубіти, атомоподібні будівельні блоки квантових комп’ютерів, крихкі. Їхні хвильові функції руйнуються від найменшого дотику, стираючи їхні спогади та здатність виконувати квантові обчислення. Ця хиткість ускладнює амбіції контролювати кубіти достатньо довго, щоб вони могли завершити тривалі обчислення.

Китаєв зрозумів, що спільна пам'ять неабелевих аніонів може служити ідеальним кубітом. Для початку він був пластичним. Ви можете змінити стан кубіта — перевернути нуль на одиницю — помінявши положення аніонів у спосіб, відомий як «сплетення».

Ви також можете прочитати стан кубіта. Наприклад, коли найпростіші неабелеві анйони об’єднати разом і «злити», вони випустять ще одну квазічастинку, лише якщо їх сплетуть. Ця квазічастинка служить фізичним записом їх перехресної подорожі в просторі та часі.

І що важливо, пам’ять також майже нетлінна. Поки аніони знаходяться далеко один від одного, тикання в будь-яку окрему частинку не змінить стан пари — нуль чи одиницю. Таким чином їхня колективна пам’ять фактично відрізана від какофонії всесвіту.

«Це було б ідеальним місцем для приховування інформації», — сказав Майсам Баркешли, теоретик конденсованого середовища в Університеті Меріленда.

Некеровані Електрони

Пропозиція Китаєва стала відомою як «топологічні» квантові обчислення, оскільки вона спиралася на топологію кіс. Цей термін стосується широких характеристик плетінки — наприклад, кількості витків — на які не впливає жодна конкретна деформація шляху. Більшість дослідників зараз вважають, що брейд - це майбутнє квантових обчислень у тій чи іншій формі. Microsoft, наприклад, має дослідників, які намагаються переконати електрони утворювати неабелеві анйони безпосередньо. Компанія вже інвестувала мільйони доларів у створення крихітних дротів, які — за досить низьких температур — мали б містити найпростіші види квазічастинок, які можна сплести, на своїх кінчиках. Очікується, що при цих низьких температурах електрони природним чином збиратимуться, щоб утворити анйони, які, у свою чергу, можна сплести в надійні кубіти.

Однак після десятиліття зусиль ці дослідники все ще залишаються намагаючись довести що їхній підхід спрацює. За гучною заявою 2018 року про те, що вони нарешті виявили найпростіший тип неабелевих квазічастинок, відомих як «нульові моди Майорани», послідувало таке ж гучне спростування у 2021 році. Компанія повідомила про новий прогрес у Препринт 2022 року, але мало хто з незалежних дослідників сподівається незабаром побачити успішне плетіння.

Подібні спроби перетворити електрони на неабелеві аніони також застопорилися. Боб Віллетт з Nokia Bell Labs має мабуть найближче у своїх спробах загнати електрони в арсенід галію, де багатообіцяючі, але непомітні ознаки плетіння існують. Однак дані безладні, а ультранизька температура, надчисті матеріали та надсильні магнітні поля ускладнюють відтворення експерименту.

«Була довга історія нічого не спостерігати», - сказав Юн-А Кім Корнельського університету.

Проте електрони, що сперечаються, — не єдиний спосіб створити неабелеві квазічастинки.

«Я відмовився від усього цього», — сказав Кім, який витратив роки на пошук способів виявлення будь-яких людей, будучи аспірантом, а тепер співпрацює з Google. «Тоді з’явилися квантові симулятори».

Сумісні кубіти

Квантові процесори змінюють полювання на будь-кого. Замість того, щоб намагатися змусити натовпи електронів стати в лінію, в останні роки дослідники почали використовувати пристрої, щоб згинати окремі кубіти за власним бажанням. Деякі фізики вважають ці зусилля моделюванням, оскільки кубіти всередині процесора є абстракціями частинок (хоча їх фізична природа різна від лабораторії до лабораторії, ви можете візуалізувати їх як частинки, що обертаються навколо осі). Але квантова природа кубітів реальна, тому — симуляції чи ні — процесори стали майданчиком для топологічних експериментів.

«Це вдихає нове життя» у поле, як кажуть Фіона Бернелл, теоретик конденсованих систем з Університету Міннесоти, «тому що було дуже важко створювати твердотільні системи».

Синтез аніонів на квантових процесорах є альтернативним способом використання потужності кіс Китаєва: визнайте, що ваші кубіти посередні, і виправте їхні помилки. Сучасні погані кубіти не працюють дуже довго, тому будь-які створені з них також матимуть короткий термін служби. Мрія полягає в тому, щоб швидко і багаторазово вимірювати групи кубітів і виправляти помилки, коли вони виникають, тим самим продовжуючи термін служби анйонів. Вимірювання стирає квантову інформацію окремого кубіта, згортаючи його хвильову функцію та перетворюючи на класичний біт. Це станеться і тут, але важлива інформація залишиться недоторканою — прихованою в колективному стані багатьох будь-яких людей. Таким чином Google та інші компанії сподіваються підкріпити кубіти швидкими вимірюваннями та швидкими виправленнями (на відміну від низьких температур).

— Ще з Китаєва, — сказав Майк Залетель, фізик конденсованих систем з Каліфорнійського університету в Берклі, «люди вважають, що квантова корекція помилок, швидше за все, спрацює».

Google взяв великий крок до квантового виправлення помилок навесні 2021 року, коли дослідники зібрали близько двох десятків кубітів у найпростішу сітку, здатну до квантового виправлення помилок, фазу матерії, відому як торичний код.

Створення торичного коду на процесорі Google означає змусити кожен кубіт тісно співпрацювати зі своїми сусідами, обережно підштовхуючи їх мікрохвильовими імпульсами. Залишений невиміряним, кубіт вказує на суперпозицію багатьох можливих напрямків. Процесор Google ефективно скоротив ці параметри, змушуючи кожен кубіт певним чином координувати свою вісь обертання з чотирма сусідами. Хоча торичний код має топологічні властивості, які можна використовувати для квантової корекції помилок, він не містить неабелевих квазічастинок. Для цього Google довелося вдатися до дивного трюку давно відомий для теоретиків: певні недосконалості в сітці кубітів, які називаються «дефектами скручування», можуть набувати неабелевої магії.

Восени минулого року Кім і Юрій Ленський, теоретики Корнельського університету, разом із дослідниками Google опублікували рецепт легко зробити та обплетення пар дефектів у торичному коді. У препринті, опублікованому незабаром після цього, експериментатори з Google повідомили про виконання ця ідея, яка передбачала розрив зв’язків між сусідніми кубітами. Отримані недоліки в сітці кубітів діяли так само, як найпростіший вид неабелевих квазічастинок, нульові моди Майорани Microsoft.

«Моєю початковою реакцією було: «Ого, Google просто змоделювала те, що намагається створити Microsoft. Це був справжній момент згинання", - сказав Тайлер Еллісон, фізик Єльського університету.

Налаштувавши, які з’єднання вони розрізають, дослідники могли перемістити деформації. Вони зробили дві пари неабелевих дефектів, і, ковзаючи ними по шахівниці розміром п’ять на п’ять кубітів, вони ледь витягли косу. Дослідники відмовилися коментувати свій експеримент, який готується до публікації, але інші експерти високо оцінили досягнення.

«У багатьох своїх роботах я малював схожі на вигляд зображення, — сказав Еллісон. «Дивно бачити, що вони насправді це продемонстрували».

Фарба за міркою

Весь цей час група теоретиків очолювала Ашвін Вішванат в Гарвардському університеті спокійно переслідував те, що багато хто вважає ще вищою метою: створити складнішу фазу квантової матерії, де справжні неабелеві анйони — на відміну від дефектів — виникають у первозданній фазі матерії. «Дефект [Google] — це начебто неабелівська річ», — сказав Бернелл, який не брав участі в обох зусиллях.

Айони обох типів живуть у фазах матерії з топологічною природою, визначеною складними гобеленами з павутинних ниток, квантовими зв’язками, відомими як заплутаність. Заплутані частинки поводяться узгоджено, і коли трильйони частинок заплутуються, вони можуть хвилюватися у складних фазах, іноді схожих на танці. У фазах із топологічним порядком заплутаність організовує частинки в петлі вирівняних спінів. Коли петля розрізана, кожен кінець є аніоном.

Топологічний порядок буває двох видів. Прості фази, такі як торичний код, мають «абелев порядок». Там вільні кінці - це абелеві анйони. Але дослідники, які шукають справжніх неабелевих аньонів, прицілилися до зовсім іншого та набагато складнішого гобелена з неабелевим порядком.

Група Вішванатха допомогла приготувати a фаза з абелевим порядком у 2021 році. Вони мріяли піти далі, але зшивання кубітів у неабелеві шаблони заплутування виявилося надто складним для сучасних нестабільних процесорів. Тож команда шукала свіжі ідеї в літературі.

Вони знайшли підказку в a пара of документи від десятиліть тому. Більшість квантових пристроїв обчислюють, масажуючи свої кубіти так само, як можна розпушити подушку, м’яким способом, коли наповнювач не вилітає крізь шви. Ретельне в'язання заплутування через ці «унітарні» операції потребує часу. Але на початку 2000-х років Роберт Рауссендорф, фізик, який зараз працює в Університеті Британської Колумбії, пішов ярликом. Секрет полягав у тому, щоб вилучити фрагменти хвильової функції за допомогою вимірювання — процесу, який зазвичай знищує квантові стани.

«Це справді жорстока операція», — сказав Рубен Верресен, один із співробітників Вішванатха в Гарварді.

Рауссендорф і його співробітники детально описали, як вибіркові вимірювання певних кубітів можуть взяти розплутаний стан і навмисно перевести його в заплутаний стан, процес, який Верресен порівнює з відрізанням мармуру для створення статуї.

Техніка мала темну сторону, яка спочатку прирекла спроби дослідників створити неабелеві фази: вимірювання дає випадкові результати. Коли теоретики націлилися на конкретну фазу, вимірювання залишали неабелеві анйони випадковими крапками, ніби дослідники намагалися намалювати Мону Лізу, розбризкуючи фарбу на полотно. «Це здавалося повним головним болем», — сказав Верресен.

Наприкінці 2021 року група Вішванатха знайшла рішення: сформувати хвильову функцію сітки кубітів за допомогою кількох раундів вимірювання. У першому раунді вони перетворили нудну фазу матерії на просту абелеву фазу. Потім вони передали цю фазу в другий раунд вимірювань, далі виточуючи її в більш складну фазу. Граючи в цю гру про топологічну котячу колиску, вони зрозуміли, що можуть боротися з випадковістю, рухаючись крок за кроком, піднімаючись сходами дедалі складніших етапів, щоб досягти фаза з неабелевим порядком.

«Замість того, щоб випадково пробувати вимірювання та дивитися, що ви отримуєте, ви хочете стрибати через пейзаж фаз матерії», — сказав Верресен. Це топологічний ландшафт, який теоретики отримали зовсім недавно почав розуміти.

Минулого літа група перевірила свою теорію на процесорі Quantinuum H1 із захопленими іонами, одному з небагатьох квантових пристроїв, які можуть виконувати вимірювання на льоту. Як і група Google, вони зробив абелев торичний код і заплела його неабелеві дефекти. Вони намагалися отримати неабелеву фазу, але не змогли її досягти, маючи лише 20 кубітів.

Але потім дослідник Quantinuum Хенрік Дрейер відійшов убік від Верресена. Поклявшись зберігати таємницю з угодою про нерозголошення, він сказав Верресену, що компанія має пристрій другого покоління. Важливо те, що H2 мав колосальні 32 кубіти. Це зажадало значної обробки, але команді вдалося встановити найпростішу неабелеву фазу на 27 з цих кубітів. «Якби у нас було на один або два кубіти менше, я не думаю, що ми могли б це зробити», — сказав Вішванат.

Їхні експерименти ознаменували перше незаперечне виявлення неабелевої фази матерії. «Реалізація неабелевого топологічного порядку — це те, чого люди хотіли зробити протягом тривалого часу», — сказав Бернелл. «Це безумовно важливий орієнтир».

Кульмінацією їхньої роботи стало сплетення трьох пар неабелевих аніонів таким чином, що їхні траєкторії в просторі та часі утворили візерунок, відомий як Борромеєві кільця, перше сплетення неабелевих аніонів. Три кільця Борромео нероздільні, коли вони разом, але якщо ви розріжете одне, два інших розпадуться.

«Існує певний фактор, – сказав Вільчек. «Щоб створити ці квантові об’єкти, потрібен величезний контроль над квантовим світом».

Big Chill

Коли інші фізики відзначають ці віхи, вони також підкреслюють, що Google і Quantinuum ведуть іншу гонку, ніж Microsoft і Willett. Створення топологічних фаз на квантовому процесорі схоже на виготовлення найменшого у світі кубика льоду шляхом укладання кількох десятків молекул води — вони кажуть, що вражаюче, але не таке задоволення, як спостерігати за природним утворенням шматка льоду.

«Математика, що лежить в основі, надзвичайно красива, і можливість перевірити це безперечно варто», — сказав Четан Наяк, дослідник Microsoft, який зробив новаторську роботу з неабелевими системами. Але, зі свого боку, він сказав, що він все ще сподівається побачити, як система сама по собі прийде в стан із таким заплутаним візерунком після охолодження.

«Якби це було однозначно видно в [експериментах Віллетта], наші розуми були б вражені», — сказав Баркешлі. Бачити це в квантовому процесорі «це круто, але нікого не вразить».

Найбільш захоплюючим аспектом цих експериментів, за словами Баркешлі, є їхнє значення для квантових обчислень: дослідники нарешті показали, що вони можуть створити необхідні інгредієнти через 26 років після початкової пропозиції Китаєва. Тепер їм просто потрібно з’ясувати, як залучити їх до роботи.

Одна заковика полягає в тому, що, як і покемони, аніони мають величезну кількість різних видів, кожен зі своїми сильними та слабкими сторонами. Деякі, наприклад, мають більш багату пам’ять про своє минуле, що робить їхні коси більш потужними для обчислень. Але спонукати їх до існування важче. Будь-яка конкретна схема повинна зважувати такі компроміси, багато з яких ще не зрозумілі.

«Тепер, коли ми маємо можливість створювати різні види топологічного порядку, ці речі стають реальними, і ви можете говорити про ці компроміси в більш конкретних термінах», — сказав Вішванат.

Наступною віхою стане справжнє виправлення помилок, чого не намагалися ані Google, ані Quantinuum. Їх плетені кубіти були приховані, але не захищені, що вимагало б вимірювання поганих базових кубітів і швидкого виправлення їхніх помилок у режимі реального часу. Ця демонстрація стане переломним моментом у квантових обчисленнях, але це ще роки — якщо це взагалі можливо.

До того часу оптимісти сподіваються, що ці нещодавні експерименти запустять цикл, у якому більш просунуті квантові комп’ютери приведуть до кращого керування неабелевими квазічастинками, а цей контроль, у свою чергу, допоможе фізикам розробити більш ефективні квантові пристрої.

«Просто демонструю силу вимірювання, — сказав Вільчек, — це може змінити правила гри».