Quasiparticles eksperimentelt vist at forstyrre for første gang

Qubits, de enheder, der bruges til at kode information i kvanteberegning, er ikke alle skabt lige. Nogle forskere mener, at topologiske qubits, som er hårdere og mindre modtagelige for miljøstøj end andre former, kan være det bedste medium til at skubbe quantum computing fremad.

Kvantfysik beskæftiger sig med, hvordan grundlæggende partikler interagerer og undertiden kommer sammen for at danne nye partikler kaldet kvasipartikler. Kvasipartikler vises i flotte teoretiske modeller, men at observere og måle dem eksperimentelt har været en udfordring. Med oprettelsen af ​​en ny enhed, der gør det muligt for forskere at undersøge interferens af kvasipartikler, vi kan være et kæmpe spring tættere på. Resultaterne blev offentliggjort mandag d Naturfysik .

"Vi er i stand til at undersøge disse partikler ved at få dem til at forstyrre, "sagde Michael Manfra, Bill and Dee O'Brian, professor i fysik og astronomi ved Purdue University. "Folk har forsøgt at gøre dette i lang tid, men der har været store tekniske udfordringer. "

For at studere så små partikler, Manfras gruppe bygger teeny, små enheder ved hjælp af en krystalvækstteknik, der bygger atomlag for atomlag, kaldes molekylær stråle epitaxy. Enhederne er så små, at de begrænser elektroner til to dimensioner. Som en marmor, der ruller rundt på en bordplade, de kan ikke bevæge sig op eller ned.

Hvis enheden, eller "bordplade, "er ren og glat nok, det, der dominerer eksperimentets fysik, er ikke elektroners individuelle handlinger, men hvordan de interagerer med hinanden. For at minimere partiklernes individuelle energi, Manfras team afkølede dem til ekstremt lave temperaturer -omkring -460 grader Fahrenheit. Derudover elektronerne blev udsat for et stort magnetfelt. Under disse tre forhold:ekstremt kolde temperaturer, begrænset til to dimensioner, og udsat for et magnetfelt, virkelig underlig fysik begynder at ske. Fysikere kalder dette den fraktionerede kvantehalregime.

"Under disse eksotiske forhold, elektroner kan arrangere sig selv, så det grundlæggende objekt ser ud som om det bærer en tredjedel af en elektronladning, sagde Manfra, som også er professor i materialeteknik, og el- og computerteknik. "Vi tænker på elementarpartikler som enten bosoner eller fermioner, afhængigt af partikelens spin, men vores kvasipartikler har en meget mere kompleks adfærd, når de udvikler sig omkring hinanden. Bestemmelse af ladning og statistiske egenskaber for disse tilstande er en mangeårig udfordring inden for kvantefysik. "

For at få partiklerne til at forstyrre, Manfras gruppe byggede et interferometer:en enhed, der fletter to eller flere kilder til kvaspartikler for at skabe et interferensmønster. Hvis du kastede to sten i en dam, og deres bølger krydsede på et tidspunkt, det er her, de ville generere interferens, og mønstrene ville ændre sig.

Men det er ekstremt svært at kopiere disse effekter i en meget mindre skala. I et så trangt rum, elektroner har en tendens til at frastøde hinanden, så det koster ekstra energi at passe en anden elektron ind i rummet. Dette har en tendens til at ødelægge interferenseffekterne, så forskere ikke kan se dem klart.

Purdue -interferometeret overvinder denne udfordring ved at tilføje metalplader kun 25 nanometer væk fra de interfererende kvasipartikler. De metalliske plader afskærmer de frastødende interaktioner, reducere energiomkostninger og tillade interferens.

Den nye enhed har identiske vægge på hver side og metalporte, lidt som en flipperspiller. Men i modsætning til en pinball, der spreder sig kaotisk rundt, elektronerne i denne enhed følger et meget strengt mønster.

"Magien ved quantum hall -effekten er, at al strømmen bevæger sig på kanten af ​​prøven, ikke gennem midten, "sagde James Nakamura, Ph.d. kandidat på Purdue og hovedforfatter af papiret. "Når kvasipartikler er tunnelleret over strålesplitteren, de er delt i to, i kvantemekanisk forstand. Det sker to gange, ved to bjælkesplittere, og interferens opstår mellem de to forskellige veje. "

På et så bizart område af fysik, det kan være svært for forskere at vide, om det, de tror, ​​de ser, er det, de rent faktisk ser. Men disse resultater viser, at muligvis for første gang, forskere har været vidne til kvantemekanisk interferens af kvasipartikler.

Denne mekanisme kan også hjælpe med udviklingen af ​​topologiske qubits ned ad vejen.

"Så vidt vi ved, dette er den eneste levedygtige platform til at prøve at lave mere komplekse eksperimenter, der kan i mere komplicerede stater, være grundlaget for en topologisk qubit, "Sagde Manfra." Vi har forsøgt at bygge disse i et stykke tid, med det endelige mål at validere nogle af disse meget mærkelige egenskaber. Vi er ikke helt der endnu, men vi har vist, at dette er den bedste vej frem. "