Tulevaisuuden kubitti luotiin kvanttiprosessoriin

Fyysinen 3D-maailmamme koostuu vain kahden tyyppisistä hiukkasista: bosoneista, joihin kuuluu valo ja kuuluisa Higgsin bosoni; ja fermioneista - protonit, neutronit ja elektronit, jotka käsittävät kaiken "tavaran".

Teoreettiset fyysikot, kuten Harvardin fysiikan professori Ashvin Vishwanath, eivät kuitenkaan halua rajoittua vain meidän maailmaamme. Esimerkiksi 2D-ympäristössä kaikenlaiset uudet hiukkaset ja ainetilat tulisivat mahdollisiksi.

Vishwanathin tiimi käytti kvanttiprosessoria luodakseen ensimmäistä kertaa upouuden aineen faasin, jota kutsutaan ei-Abelilaiseksi topologiseksi järjestykseksi. Sellainen on aiemmin tunnistettu vain teoriassa.

Tutkijaryhmä osoitti nyt näiden eksoottisten ei-Abelilaisiksi anyoneiksi kutsuttujen hiukkasten synteesiä ja hallintaa. Kyseiset hiukkaset eivät ole bosoneja tai fermioneja, vaan jotain siltä väliltä.

Heidän tulokset julkaistiin Naturessa yhteistyössä kvanttilaskentayritys Quantinuumin tutkijoiden kanssa.

Ei-Abelilaiset anyonit, jotka fyysikot tuntevat kvasihiukkasina, ovat matemaattisesti mahdollisia vain 2D-tasossa. "Kvasi" viittaa siihen, että ne eivät ole tarkalleen ottaen hiukkasia, vaan tietyn ainefaasin kautta pitkään säilyvä viritteitä joten niillä on erityisiä muistissa säilymisen kykyjä.

Sen lisäksi, että aineen uuden faasin luominen on jännittävää perusfysiikkaa, ei-Abelilaiset anyonit ovat laajalti tunnustettu mahdolliseksi alustaksi kvanttilaskentaan - mikä lisää tutkimussaavutuksen merkitystä.

Ei-Abelilaiset anyonit ovat luonnostaan vakaita, toisin kuin hauraat ja virhealttiit kvanttibitit tai kubitit muilla kvanttilaskenta-alustoilla. Ne voivat "muistaa" menneisyytensä liikkuessaan toistensa ympärillä. Tämä ominaisuus tekee niistä myös topologisia eli niitä voidaan taivuttaa ja vääntää menettämättä silti ydinidentiteettiään.

Kaikista näistä syistä ei-Abelilaiset anyonit saattavat joskus olla ihanteellisia kubitteja jos niitä voidaan luoda ja ohjata suuremmassa mittakaavassa.

"Yksi erittäin lupaava reitti vakaaseen kvanttilaskentaan on käyttää tällaisia eksoottisia aineen tiloja tehokkaina kvanttibitteinä ja tehdä kvanttilaskentaa niillä", Tantivasadakarn sanoo. "Sitten voidaan lieventää kohinaongelmia suurelta osin."

Tutkijat käyttivät sitkeää luovuutta toteuttaakseen eksoottisen ainetilansa. Maksimoimalla Quantinuumin uusimman H2-prosessorin ominaisuudet, tiimi aloitti 27 loukkuun jääneen ionin hilalla. He käyttivät osittaisia, kohdennettuja mittauksia lisätäkseen peräkkäin kvanttijärjestelmänsä monimutkaisuutta, mikä päätyi tehokkaasti suunniteltuun kvanttiaaltofunktioon, jolla oli niiden hiukkasten tarkat piirteet ja ominaisuudet, joita he etsivät.

"Mittaus on kvanttimekaniikan salaperäisin osa, joka johtaa kuuluisiin paradokseihin, kuten Schrödingerin kissa ja lukuisiin filosofisiin keskusteluihin", Vishwanath sanoo. "Tässä käytimme mittauksia työkaluna kiinnostavan kvanttitilan muodostamiseen."

"Ainakin minulle oli hämmästyttävää, että se kaikki toimii ja että voimme tehdä jotain hyvin konkreettista", Vishwanath iloitsee. "Se todella yhdistää monia fysiikan eri näkökohtia vuosien varrella perustavanlaatuisesta kvanttimekaniikasta uusimpiin ideoihin näistä uudenlaisista hiukkasista."

Aiheesta aiemmin:

Kohti vikasietoisia kubitteja

Kohti topologista kvanttilaskentaa

Kaksi kubittia ja kvanttifysiikka uusiksi