En ny fase af materien:Fysikere opnår første demonstration af ikke-abelske nogen i en kvanteprocessor

Vores fysiske 3D-verden består kun af to typer partikler:bosoner, som inkluderer lys og den berømte Higgs-boson; og fermioner - de protoner, neutroner og elektroner, der omfatter alle de "ting", inklusive det nuværende selskab.

Teoretiske fysikere som Ashvin Vishwanath, Harvards George Vasmer Leverett-professor i fysik, kan dog ikke lide at begrænse sig til kun vores verden. I en 2D-indstilling, for eksempel, ville alle slags nye partikler og stoftilstande blive mulige.

Vishwanaths team brugte en kraftfuld maskine kaldet en kvanteprocessor til for første gang at lave en splinterny fase af stof kaldet ikke-abelsk topologisk orden. Tidligere anerkendt kun i teorien demonstrerede holdet syntese og kontrol af eksotiske partikler kaldet ikke-abelske anyoner, som hverken er bosoner eller fermioner, men noget midt imellem.

Deres resultater er offentliggjort i Nature i samarbejde med forskere ved kvantecomputervirksomheden Quantinuum. Vishwanaths team omfattede tidligere Harvard Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences-studerende Nat Tantivasadakarn '22, nu på Caltech, og postdoc-stipendiat Ruben Verresen.

Ikke-abelske nogen, kendt af fysikere som kvasipartikler, er kun matematisk mulige i et 2D-plan. Kvalifikationen "kvasi" refererer til det faktum, at de ikke ligefrem er partikler, men snarere langlivede excitationer gennem en bestemt fase af stof – tænk på havbølger – og de har særlige hukommelsesbærende evner.

Udover det faktum, at skabelse af en ny fase af stof er spændende fundamental fysik, er ikke-abiske anyoner blevet bredt anerkendt som en potentiel platform for kvanteberegning – hvilket tilfører forskningsresultatet endnu mere betydning.

Ikke-abelske anyoner er i sagens natur stabile, i modsætning til de spinkle og fejltilbøjelige kvantebits eller qubits på andre kvantecomputerplatforme. De kan "huske" deres fortid, når de bevæger sig rundt om hinanden - som en tryllekunstner, der blander kopper med skjulte bolde. Denne egenskab er også det, der gør dem topologiske eller i stand til at blive bøjet og snoet uden at miste deres kerneidentitet.

Af alle disse grunde kan ikke-abiske nogen en dag lave ideelle qubits – enheder af beregningskraft, der strækker sig langt ud over de klassiske computere i dag – hvis de kan skabes og kontrolleres i større skalaer.

"En meget lovende vej til stabil kvanteberegning er at bruge disse former for eksotiske tilstande af stof som de effektive kvantebits og at lave kvanteberegninger med dem," sagde Tantivasadakarn. "Så har du i vid udstrækning afbødet problemerne med støj."

Forskerne brugte en vis stædig kreativitet for at realisere deres eksotiske stoftilstand. Ved at udnytte mulighederne i Quantinuums nyeste H2-processor startede holdet med et gitter på 27 fangede ioner. De brugte delvise, målrettede målinger til sekventielt at øge kompleksiteten af ​​deres kvantesystem, hvilket effektivt endte med en konstrueret kvantebølgefunktion med de nøjagtige egenskaber og karakteristika for de partikler, de var ude efter.

"Måling er det mest mystiske aspekt af kvantemekanikken, hvilket fører til berømte paradokser som Schrödingers kat og adskillige filosofiske debatter," sagde Vishwanath. "Her brugte vi målinger som et værktøj til at forme kvantetilstanden af ​​interesse."

Som teoretiker værner Vishwanath om evnen til at hoppe mellem forskellige ideer og anvendelser af fysik uden at være bundet til én platform eller teknologi. Men i forbindelse med dette arbejde undrer han sig over at komme til ikke bare at udforske en teori, men faktisk demonstrere den, især da kvantemekanikken går ind i sit 100. år.

"I det mindste for mig var det bare fantastisk, at det hele fungerer, og at vi kan gøre noget meget konkret," sagde Vishwanath. "Det forbinder virkelig mange forskellige aspekter af fysik gennem årene, fra grundlæggende kvantemekanik til nyere ideer om disse nye slags partikler."

Flere oplysninger: Mohsin Iqbal et al., ikke-abelsk topologisk orden og alle på en fanget-ion-processor, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06934-4

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Harvard Gazette

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. Besøg Harvard.edu for yderligere universitetsnyheder.