Peki ya yaşadığımız dünya üç boyutlu değil de iki boyutlu olsaydı? Bu kadar düz bir dünyada maddenin temel yapı taşları nasıl davranırdı? Bu soru, Harvard Üniversitesi'nde teorik fizikçi olan Ashvin Vishwanath'ın araştırmasını yönlendiriyor.
3 boyutlu dünyamızda yalnızca iki tür parçacık vardır: bozonlar Ve fermiyonlar. Bozonlar diğer parçacıklara kütle kazandıran ünlü Higgs bozonu gibi ışık ve kuvvet parçacıklarıdır. Fermiyonlar, gördüğümüz ve dokunduğumuz her şeyi oluşturan protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi madde parçacıklarıdır.
Ancak 2 boyutlu bir dünyada işler daha da ilginçleşiyor. Her ikisi de olmayan başka parçacık türleri de mevcut olabilir. bozonlar ve fermiyonlar ama arada bir şey. Bu parçacıklara Abelyen olmayan anyonlar denir ve bazı çok tuhaf ve büyüleyici özelliklere sahiptirler.
Abelian olmayan anyonlarla kuantum büyüsü
Abelyen olmayan anyonlar parçacıklar değil, suyun yüzeyindeki dalgalanmalar gibi, maddenin özel bir fazının kolektif uyarımlarıdır. Yalnızca 2B düzlemde var olabilirler ve 3B'de imkansız olan bir şekilde birbirlerinin etrafında hareket edebilirler.
Abelian olmayanları bu kadar özel kılan şey, onların bir tür hafızaya sahip olmalarıdır. Yer değiştirdikleri zaman önceki konumlarını ve yönelimlerini hatırlarlar ve bu onların gelecekteki davranışlarını etkiler. Bu bir sihir numarası gibidir: Sihirbaz birkaç bardağı hareket ettirir ve içlerinden birinin altındaki gizli topu ortaya çıkarır.
Bu hafıza aynı zamanda Abelyen olmayan anyonları topolojik hale getirir, yani küçük deformasyonlara ve bozulmalara karşı bağışıktırlar. Uzatılabilir, bükülebilir veya bükülebilirler ancak kimliklerini veya bilgilerini kaybetmezler.
Bu özellikler, Abelyen olmayan anyonları, bilgi teknolojisinin bir sonraki sınırı olan kuantum hesaplama için çok çekici kılmaktadır. Kuantum hesaplamanın kullanım alanları kuantum bitleri veya kübitlerBilgiyi klasik bitlerden çok daha güçlü bir şekilde saklayıp işleyebilen. Ancak kübitler kırılgandır ve hatalara açıktır, bu da pratik kullanımlarını sınırlamaktadır.
Öte yandan, Abelian olmayan anyonlar, bilgiyi gürültü veya parazitten kaybetmeden koruyabilen ve değiştirebilen sağlam kübitler olarak kullanılabilir. Bu, kuantum hesaplamanın tam potansiyeline ulaşmasını ve klasik bilgisayarlar için imkansız sorunları çözmesini sağlayabilir.
Doğa
İlk kez Abelyen olmayan anyonlar yaratılıyor
Abelyen olmayan herhangi biri onlarca yıldır teori tarafından tahmin ediliyordu ancak şimdiye kadar hiçbir zaman laboratuvarda gözlemlenmedi veya yaratılmadı.
Kuantum bilgisayar şirketi Quantinuum'daki araştırmacılarla işbirliği yapan Vishwanath ve ekibi, ilk kez Abel olmayan herhangionları yaratma ve kontrol etme konusunda bir atılım gerçekleştirdi. Sonuçları dergide yayınlandı Doğa.
Ekip, maddenin kuantum durumlarını değiştirebilen bir makine olan kuantum işlemci adı verilen güçlü bir cihaz kullandı. Bir elektron kaybetmiş veya kazanmış atomlardan oluşan 27 tuzaklanmış iyondan oluşan bir kafesle başladılar. Daha sonra, Abelian olmayan topolojik düzenin istenen durumunu elde edene kadar sistemin kuantum durumunu şekillendirmek için akıllı bir kısmi ve hedefli ölçüm tekniği kullandılar.
Ekip, Abel olmayan anyonların sentezini ve kontrolünü gösterdi ve bunların özelliklerini ve davranışlarını doğruladı. Ayrıca sistemlerinin daha büyük boyutlara ölçeklenebileceğini de gösterdiler; bu, kuantum hesaplama uygulamaları için çok önemli.
Vishwanath, “Bu, kuantum fiziği ve mühendisliğinde dikkate değer bir başarıdır” dedi. “Sadece maddenin yeni bir aşamasını gerçekleştirmekle kalmadık, aynı zamanda onun kuantum hesaplama potansiyelini de gösterdik.”
Teorisyen eğitimi alan Vishwanath, deneyde fikirlerinin hayata geçtiğini görmekten heyecan duyduğunu söyledi. Ayrıca maddenin ve enerjinin doğasını en küçük ölçeklerde açıklayan fizik dalı olan kuantum mekaniğinin 100. yıl dönümünü kutlamanın heyecanını yaşadığını söyledi.
“Kuantum bilimi ve teknolojisinin altın çağında yaşıyoruz” dedi. “Keşfedilecek ve keşfedilecek hâlâ çok şey var.”
Çalışma özeti:
Abelyen olmayan topolojik düzen, değiştirildikleri sırayı hatırlayabilen yarı parçacıklar da dahil olmak üzere, dikkate değer özelliklere sahip, maddenin imrenilen bir halidir. Bu anyonik uyarımlar, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların umut verici yapı taşlarıdır. Bununla birlikte, kapsamlı çabalara rağmen, Abelian olmayan topolojik düzen ve onun uyarılmaları, Abelian topolojik düzenindeki daha basit yarı parçacıklar veya kusurların aksine, anlaşılması zor kalmıştır. Burada, bir kuantum işlemcide hazırlanan dalga fonksiyonunda Abelyen olmayan topolojik düzenin gerçekleştirilmesini sunuyoruz ve anyonlarının kontrolünü gösteriyoruz. Quantinuum'un H2 tuzaklanmış iyon kuantum işlemcisi üzerinde uyarlanabilir bir devre kullanarak, 27 kübitlik bir kagome kafesi üzerinde D4 topolojik düzeninin temel durum dalga fonksiyonunu, bölge başına aslına uygunluk yüzde 98,4'ü aşacak şekilde oluşturuyoruz. Anyon interferometrisi, uzay-zamanda Borromean halkaları boyunca anyonlar yaratıp hareket ettirerek, doğası gereği Abelyen olmayan bir örgü sürecini tespit eder. Dahası, Abel olmayanları bir torus çevresinde tünellemek, 22 temel durumun tamamının yanı sıra tek bir anyonla uyarılmış bir durum yaratır; bu, Abel olmayan topolojik düzenin tuhaf bir özelliğidir. Bu çalışma, Abelion olmayanların mantık dışı doğasını gösteriyor ve onların kuantum cihazlarda çalışılmasına olanak sağlıyor.
Kaynak bağlantısı