Неабелевые анионы - новая форма материи для идеальных квантовых кубитов

Физический, трехмерный мир, в котором мы живем, состоит всего из двух типов частиц: бозонов, к которым относятся, например, фотоны и известный бозон Хиггса, и фермионов — протонов, нейтронов и электронов, из которых состоит вся «материя», включая нас самих. Физики-теоретики, такие как Ашвин Вишванат, профессор физики Гарвардского университета, не любят ограничивать себя только нашим миром. Например, в двумерной среде становятся возможными совершенно новые частицы и состояния материи.

Команда Вишваната использовала мощный квантовый процессор, чтобы впервые синтезировать принципиально новую фазу вещества, называемую неабелевым топологическим порядком. Ранее она была известна только в теории. Ученым удалось продемонстрировать синтез и контроль экзотических частиц, называемых неабелевыми анионами, которые не являются ни бозонами, ни фермионами, а чем-то средним. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature в сотрудничестве с исследователями из компании Quantinuum, специализирующейся на квантовых вычислениях.

Неабелевые анионы, или квазичастицы, как их называют физики, математически возможны только в двумерной плоскости. Приставка «квази» означает, что это не совсем частицы в привычном понимании, а скорее долгоживущие устойчивые состояния в определенной фазе вещества. У них есть особые свойства хранения информации.

Помимо того факта, что создание новой фазы развития материи является захватывающим событием в фундаментальной физике, неабелевы анионы получили широкое признание в качестве потенциальной платформы для квантовых вычислений, что придает исследованиям еще большую значимость. В отличие от хрупких и подверженных ошибок кубитов на других платформах, неабелевы анионы принципиально стабильны. Они могут «вспоминать» свою историю при взаимодействии — как фокусник, перемешивающий чашки со спрятанными шариками. Это свойство делает их топологическими, способными изгибаться и скручиваться без потери своей основной идентичности.

По всем этим причинам неабелевы анионы могут в будущем стать идеальными кубитами — единицами вычислительной мощности, которые выходят далеко за рамки современных классических компьютеров, — если их удастся создавать и контролировать в больших масштабах. «Один из самых многообещающих путей к стабильным квантовым вычислениям — использовать такие экзотические состояния материи в качестве кубитов и выполнять на них квантовые операции», — говорит Нат Тантивасадакарн, участник исследовательской группы. — Тогда в значительной степени решается проблема шумов».

Исследователи проявили изрядную изобретательность, чтобы реализовать экзотическое состояние материи. Максимально задействовав возможности новейшего процессора H2 компании Quantinuum, они начали с решетки из 27 захваченных ионов. С помощью частичных целевых измерений они последовательно усложняли свою квантовую систему, в итоге получив квантовую волновую функцию с точными свойствами и характеристиками необходимых им частиц. «Измерение — наиболее загадочный аспект квантовой механики, приводящий к известным парадоксам вроде кота Шрёдингера и множеству философских дебатов», — говорит Вишванат. — «Здесь мы использовали измерения как инструмент для формирования нужного нам квантового состояния».

Вишванат высоко ценит возможность работать с разнообразными идеями и направлениями в физике, не ограничивая себя узкой специализацией. Он особенно восхищен возможностью применять теорию на практике в своих исследованиях, что становится особенно значимым на фоне столетия квантовой механики. «Для меня потрясающе видеть, как теоретические идеи оживают и превращаются в конкретные результаты», — отмечает физик. «Это подчеркивает единство и разнообразие физической науки, связывая воедино десятилетия развития от основ квантовой механики до современных исследований новых частиц».