En ny fas av materia: Fysiker lyckas med första demonstrationen av icke-Abelianska anyoner i en kvantprocessor

Inuti kammaren i Quantinuum H2-kvantprocessorn. Kredit: Quantinuum
Inuti kammaren i Quantinuum H2-kvantprocessorn. Kredit: Quantinuum

Vår fysiska 3D-värld består av bara två typer av partiklar: bosoner, som omfattar ljus och den berömda Higgs-bosonen, och fermioner – protoner, neutroner och elektroner som omfattar alla ”saker”, inklusive det nuvarande företaget.

Teoretiska fysiker som Ashvin Vishwanath, Harvards George Vasmer Leverett Professor of Physics, gillar dock inte att begränsa sig till bara vår värld. I en 2D-miljö skulle till exempel alla typer av nya partiklar och materietillstånd bli möjliga.

Vishwanaths team använde en kraftfull maskin som kallas kvantprocessor för att för första gången skapa en helt ny fas av materia som kallas icke-Abeliansk topologisk ordning. Teamet demonstrerade syntes och kontroll av exotiska partiklar som kallas icke-Abeliska anyoner, som varken är bosoner eller fermioner, utan något däremellan, vilket tidigare endast varit känt i teorin.

Deras resultat publiceras i Nature i samarbete med forskare vid kvantdatorföretaget Quantinuum. I Vishwanaths team ingick Nat Tantivasadakarn ’22, tidigare student vid Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences vid Harvard, nu vid Caltech, och Ruben Verresen, postdoktoral forskare.

Icke-Abelianska anyoner, som fysiker kallar kvasipartiklar, är endast matematiskt möjliga i ett 2D-plan. Tillägget ”kvasipartiklar” syftar på att de inte är exakta partiklar, utan snarare långlivade excitationer genom en specifik fas av materia – tänk havsvågor – och de har speciella minnesbärande förmågor.

Förutom att det är spännande grundläggande fysik att skapa en ny fas av materia, har icke-Abelianska anyoner allmänt erkänts som en potentiell plattform för kvantberäkning – vilket ger forskningsresultatet ännu större betydelse.

Icke-abbelska anyoner är i sig stabila, till skillnad från de bräckliga och felbenägna kvantbitarna, eller qubits, på andra kvantdatorplattformar. De kan ”komma ihåg” sitt förflutna när de rör sig runt varandra – som en trollkarl som blandar koppar med dolda kulor. Det är också denna egenskap som gör dem topologiska, dvs. att de kan böjas och vridas utan att förlora sin grundläggande identitet.

Av alla dessa skäl kan icke-Abelianska anyoner en dag bli idealiska qubits – enheter med beräkningskraft som sträcker sig långt bortom dagens klassiska datorer – om de kan skapas och kontrolleras i större skalor.

”En mycket lovande väg till stabila kvantberäkningar är att använda den här typen av exotiska materietillstånd som effektiva kvantbitar och att göra kvantberäkningar med dem”, säger Tantivasadakarn. ”Då har man i stor utsträckning mildrat problemen med brus.”

Forskarna använde en del envis kreativitet för att förverkliga sitt exotiska materietillstånd. Teamet utnyttjade kapaciteten hos Quantinuums nyaste H2-processor till max och började med ett gitter med 27 fångade joner. De använde partiella, riktade mätningar för att sekventiellt öka komplexiteten i sitt kvantsystem, vilket effektivt slutade med en konstruerad kvantvågfunktion med de exakta egenskaperna och egenskaperna hos de partiklar de var ute efter.

”Mätning är den mest mystiska aspekten av kvantmekanik, vilket leder till berömda paradoxer som Schrödingers katt och många filosofiska debatter”, säger Vishwanath. ”Här använde vi mätningar som ett verktyg för att skulptera det kvanttillstånd vi var intresserade av.”

Som teoretiker uppskattar Vishwanath möjligheten att kunna hoppa mellan olika idéer och tillämpningar av fysik utan att vara bunden till en plattform eller teknik. Men i samband med det här arbetet förundras han över att inte bara få utforska en teori, utan faktiskt demonstrera den, särskilt när kvantmekaniken går in på sitt 100:e år.

”Åtminstone för mig var det helt fantastiskt att allt fungerar och att vi kan göra något väldigt konkret”, säger Vishwanath. ”Det knyter verkligen samman många olika aspekter av fysik genom åren, från grundläggande kvantmekanik till nyare idéer om dessa nya typer av partiklar.”

Ytterligare information: Mohsin Iqbal et al, Non-Abelian topological order and anyons on a trapped-ion processor, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06934-4

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.