Zephyrnet-logo

Natuurkundigen creëren ongrijpbare deeltjes die hun verleden herinneren

Datum:

Introductie

Veertig jaar geleden piekerde Frank Wilczek over een bizar type deeltje dat alleen in een plat universum kon leven. Als hij de pen op papier had gezet en de berekeningen had gemaakt, zou Wilczek hebben ontdekt dat deze toenmalige theoretische deeltjes een buitenaardse herinnering aan hun verleden vasthielden, een herinnering die te diep in het weefsel van de werkelijkheid was verweven om door enige verstoring uitgewist te worden.

Omdat hij echter geen reden zag waarom de natuur zulke vreemde beesten zou laten bestaan, koos de toekomstige natuurkundige, winnaar van de Nobelprijs, ervoor om zijn gedachte-experimenten niet tot hun meest bizarre conclusies te volgen - ondanks de bezwaren van zijn medewerker Anthony Zee, een gerenommeerd theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara.

"Ik zei: 'Kom op, Tony, mensen gaan ons voor de gek houden'", zei hij Wilczek, nu professor aan het Massachusetts Institute of Technology.

Anderen waren niet zo terughoudend. Onderzoekers hebben de afgelopen drie decennia miljoenen dollars uitgegeven om de deeltjesachtige objecten te vangen en te temmen, die de cryptische naam van niet-abelse iedereen dragen.

Nu zijn twee baanbrekende experimenten eindelijk gelukt, en niemand lacht. "Dit was een doelwit en nu is het raak", zei Wilczek.

Natuurkundigen werken samen met het bedrijf Quantinuum heeft vandaag aangekondigd dat ze de nieuw onthulde H2-processor van de volgende generatie van het bedrijf hadden gebruikt niet-abelse iedereen synthetiseren en manipuleren in een nieuwe fase van kwantummaterie. Hun werk volgt een voordruk gepost afgelopen herfst waarin onderzoekers met Google de eerste duidelijke verstrengeling van niet-abelse objecten vierden, een proof of concept dat informatie kan worden opgeslagen en gemanipuleerd in hun gedeelde geheugen. Samen buigen de experimenten de groeiende kracht van kwantumapparaten en bieden ze een mogelijk kijkje in de toekomst van computers: door bijna onverwoestbare records bij te houden van hun reizen door ruimte en tijd, zouden niet-abelse iedereen het meest veelbelovende platform kunnen bieden voor het bouwen van fouttolerante kwantumcomputers.

Introductie

"Als pure wetenschap is het gewoon, wauw," zei Ad Stern, een theoreticus van de gecondenseerde materie aan het Weizmann Institute of Science in Israël, die zijn hele carrière de objecten heeft bestudeerd. "Dit brengt je dichter [bij topologische kwantumcomputing]. Maar als er één ding is dat de afgelopen decennia ons heeft geleerd, dan is het een lange en bochtige weg.”

Flatland-computers

In 1982 hielp Wilczek de geest van natuurkundigen te openen voor de menagerie van deeltjes die in twee dimensies zouden kunnen bestaan. Hij werkte de gevolgen uit van het beperken van kwantumwetten tot een hypothetisch, volledig plat universum, en ontdekte dat het vreemde deeltjes met fractionele spins en ladingen zou bevatten. Bovendien zou het verwisselen van anderszins niet te onderscheiden deeltjes ze kunnen veranderen op manieren die onmogelijk waren voor hun driedimensionale tegenhangers. Wilczek brutaal genoemd deze tweedimensionale deeltjes iedereen, omdat ze tot bijna alles in staat leken te zijn.

Wilczek concentreerde zich op de eenvoudigste 'abelse' iedereen, deeltjes die, wanneer ze worden verwisseld, veranderen op subtiele manieren die niet direct waarneembaar zijn.

Hij stopte met het verkennen van de wildere optie - niet-abelse iedereen, deeltjes die een herinnering delen. Het verwisselen van de posities van twee niet-abelse iedereen levert een direct waarneembaar effect op. Het verandert de status van hun gedeelde golffunctie, een grootheid die de kwantumaard van een systeem beschrijft. Als je twee identieke niet-abelse wezens tegenkomt, kun je door te meten in welke toestand ze verkeren, zien of ze altijd in die posities zijn geweest of dat ze elkaar hebben gekruist - een kracht die geen ander deeltje kan claimen.

Voor Wilczek leek dat idee te fantastisch om zich tot een formele theorie te ontwikkelen. "Wat voor soort toestanden van materie ondersteunen die?" hij herinnerde zich denken.

Maar in 1991, twee natuurkundigen identificeerde die staten. Ze voorspelden dat, wanneer ze worden blootgesteld aan sterk genoeg magnetische velden en koud genoeg temperaturen, elektronen die aan een oppervlak vastzitten op precies de juiste manier samen zouden wervelen om niet-abelse wezens te vormen. De anyons zouden geen fundamentele deeltjes zijn – onze 3D-wereld verbiedt dat – maar “quasideeltjes.” Dit zijn verzamelingen deeltjes, maar ze kunnen het beste worden gezien als individuele eenheden. Quasideeltjes hebben precieze locaties en gedragingen, net zoals verzamelingen watermoleculen golven en draaikolken produceren.

Introductie

In 1997, Alexei Kitaev, een theoreticus aan het California Institute of Technology, wees erop dat dergelijke quasideeltjes de perfecte basis zouden kunnen leggen voor kwantumcomputers. Natuurkundigen hebben lang getwijfeld over de mogelijkheid om de kwantumwereld te gebruiken om berekeningen uit te voeren die buiten het bereik van typische computers en hun binaire bits liggen. Maar qubits, de atoomachtige bouwstenen van kwantumcomputers, zijn kwetsbaar. Hun golffuncties storten in bij de lichtste aanraking, waardoor hun geheugen en hun vermogen om kwantumberekeningen uit te voeren worden gewist. Deze zwakheid heeft gecompliceerde ambities om qubits lang genoeg te beheersen zodat ze langdurige berekeningen kunnen voltooien.

Kitaev realiseerde zich dat het gedeelde geheugen van niet-abelse iedereen als een ideale qubit zou kunnen dienen. Om te beginnen was het kneedbaar. Je zou de status van de qubit kunnen veranderen - een nul in een één veranderen - door de posities van de anyons uit te wisselen op een manier die bekend staat als 'vlechten'.

Ook zou je de status van de qubit kunnen uitlezen. Wanneer bijvoorbeeld de eenvoudigste niet-abelse iedereen bij elkaar wordt gebracht en 'gefuseerd', zullen ze alleen een ander quasideeltje uitzenden als ze zijn gevlochten. Dit quasiparticle dient als een fysiek verslag van hun kriskras reis door ruimte en tijd.

En cruciaal, het geheugen is ook bijna onvergankelijk. Zolang de anyons ver uit elkaar worden gehouden, zal het porren van een individueel deeltje de toestand waarin het paar zich bevindt niet veranderen - of het nu nul of één is. Zo wordt hun collectieve geheugen effectief afgesloten van de kakofonie van het universum.

"Dit zou de perfecte plek zijn om informatie te verbergen", zei hij Maissam Barkeshli, een theoreticus van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Maryland.

Weerbarstige elektronen

Het voorstel van Kitaev werd bekend als "topologische" kwantumcomputing omdat het berustte op de topologie van de vlechten. De term verwijst naar brede kenmerken van de vlecht - bijvoorbeeld het aantal windingen - die niet worden beïnvloed door een specifieke vervorming van hun pad. De meeste onderzoekers geloven nu dat vlechten de toekomst zijn van quantum computing, in een of andere vorm. Microsoft heeft bijvoorbeeld onderzoekers die elektronen proberen over te halen om rechtstreeks niet-abelse iedereen te vormen. Het bedrijf heeft al miljoenen dollars geïnvesteerd in het bouwen van kleine draden die - bij voldoende koude temperaturen - de eenvoudigste soorten vlechtbare quasi-deeltjes aan hun uiteinden zouden moeten herbergen. De verwachting is dat bij deze lage temperaturen elektronen zich op natuurlijke wijze zullen verzamelen om deeltjes te vormen, die op hun beurt kunnen worden gevlochten tot betrouwbare qubits.

Na een decennium van inspanning zijn die onderzoekers echter nog steeds worstelen om te bewijzen dat hun aanpak werkt. Een spetterende bewering uit 2018 dat ze eindelijk het eenvoudigste type niet-abelse quasiparticle hadden ontdekt, bekend als "Majorana zero modes", werd gevolgd door een vergelijkbare spraakmakende intrekking in 2021. Het bedrijf rapporteerde nieuwe vooruitgang in een 2022 voordruk, maar weinig onafhankelijke onderzoekers verwachten binnenkort succesvol vlechten te zien.

Soortgelijke pogingen om elektronen in niet-abelse iedereen te veranderen, zijn ook tot stilstand gekomen. Bob Willett van Nokia Bell Labs heeft komen waarschijnlijk het dichtst in de buurt in zijn pogingen om elektronen in galliumarsenide bijeen te drijven, waar veelbelovende maar subtiele tekenen van vlechten bestaan. De gegevens zijn echter rommelig en de ultrakoude temperatuur, ultrazuivere materialen en ultrasterke magnetische velden maken het experiment moeilijk te reproduceren.

"Er is een lange geschiedenis van niets observeren", zei hij Eun-Ah Kim van Cornell University.

Wrangling elektronen is echter niet de enige manier om niet-abelse quasideeltjes te maken.

"Ik had dit allemaal opgegeven", zegt Kim, die jarenlang manieren heeft bedacht om iemand als afgestudeerde student te detecteren en nu samenwerkt met Google. "Toen kwamen de kwantumsimulatoren."

Conforme qubits

Kwantumprocessors veranderen de jacht op iedereen. In plaats van te proberen hordes elektronen over te halen om op één lijn te komen, zijn onderzoekers de afgelopen jaren begonnen met het gebruik van de apparaten om individuele qubits naar hun hand te zetten. Sommige natuurkundigen beschouwen deze inspanningen als simulaties, omdat de qubits in de processor abstracties zijn van deeltjes (hoewel hun fysieke aard van laboratorium tot laboratorium varieert, kun je ze visualiseren als deeltjes die rond een as draaien). Maar de kwantumaard van de qubits is echt, dus - simulaties of niet - de processors zijn speeltuinen geworden voor topologische experimenten.

"Het blaast nieuw leven" in het veld, zei Fiona Burnel, een theoreticus van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Minnesota, "omdat het zo moeilijk was om solid-state systemen te maken."

Het synthetiseren van iedereen op kwantumprocessors is een alternatieve manier om de kracht van Kitaevs vlechten te benutten: accepteer dat uw qubits middelmatig zijn en corrigeer hun fouten. De slordige qubits van vandaag werken niet erg lang, dus iedereen die ermee is gebouwd, zou ook een korte levensduur hebben. De droom is om snel en herhaaldelijk groepen qubits te meten en eventuele fouten te corrigeren, waardoor de levensduur van de anyons wordt verlengd. Metingen wissen de kwantuminformatie van een individuele qubit door de golffunctie samen te vouwen en er een klassieke bit van te maken. Dat zou hier ook gebeuren, maar de belangrijke informatie zou onaantastbaar blijven – verborgen in de collectieve staat van velen. Op deze manier hopen Google en andere bedrijven qubits te ondersteunen met snelle metingen en snelle correcties (in tegenstelling tot lage temperaturen).

‘Sinds Kitaev,’ zei hij Mike Zaletel, een fysicus van de gecondenseerde materie aan de University of California, Berkeley, "dit is de manier waarop mensen denken dat kwantumfoutcorrectie waarschijnlijk zal werken."

Google nam een grote stap naar kwantumfoutcorrectie in het voorjaar van 2021, toen onderzoekers ongeveer twee dozijn qubits samenvoegden tot het eenvoudigste raster dat in staat is tot kwantumfoutcorrectie, een fase van de materie die bekend staat als de torische code.

Het creëren van de torische code op de processor van Google komt neer op het dwingen van elke qubit om strikt samen te werken met zijn buren door ze zachtjes aan te duwen met microgolfpulsen. Ongemeten gelaten, wijst een qubit in een superpositie van vele mogelijke richtingen. De processor van Google heeft die opties effectief verminderd door elke qubit zijn spin-as op specifieke manieren te laten coördineren met zijn vier buren. Hoewel de torische code topologische eigenschappen heeft die kunnen worden gebruikt voor correctie van kwantumfouten, bevat deze geen standaard niet-abelse quasideeltjes. Daarvoor moest Google een vreemde truc uithalen lang bekend voor theoretici: bepaalde onvolkomenheden in het raster van qubits, genaamd "twistdefecten", kunnen niet-abelse magie krijgen.

Afgelopen herfst plaatsten Kim en Yuri Lensky, een theoreticus bij Cornell, samen met Google-onderzoekers een recept voor gemakkelijk maken en vlechtparen van defecten in de torische code. In een preprint die kort daarna werd geplaatst, experimenteerden bij Google gerapporteerde uitvoering dat idee, waarbij verbindingen tussen naburige qubits werden verbroken. De resulterende fouten in het qubit-raster werkten net als de eenvoudigste soort van niet-abelse quasiparticle, de Majorana-nulmodi van Microsoft.

“Mijn eerste reactie was: 'Wow, Google heeft zojuist gesimuleerd wat Microsoft probeert te bouwen. Het was een echt flexibel moment, 'zei Tyler Ellison, een natuurkundige aan de Yale University.

Door aan te passen welke verbindingen ze doorsneden, konden de onderzoekers de vervormingen verplaatsen. Ze maakten twee paar niet-abelse defecten en door ze over een schaakbord van vijf bij vijf qubits te schuiven, kregen ze nauwelijks een vlecht. De onderzoekers weigerden commentaar te geven op hun experiment, dat wordt voorbereid voor publicatie, maar andere experts prezen de prestatie.

"In veel van mijn werk heb ik gelijkaardige foto's getekend," zei Ellison. "Het is geweldig om te zien dat ze dit daadwerkelijk hebben aangetoond."

Verf op maat

Al die tijd liep een groep theoretici voorop Ashvin Viswanath aan de universiteit van Harvard, streefde stilletjes na wat velen als een nog verhevener doel beschouwen: het creëren van een meer gecompliceerde fase van kwantummaterie waar echte niet-abelse iedereen - in tegenstelling tot defecten - van nature ontstaat in een ongerepte fase van materie. "[Google's] defect is een soort baby-niet-abels ding", zei Burnell, die bij geen van beide pogingen betrokken was.

Iedereen van beide typen leeft in fasen van materie met een topologische aard die wordt bepaald door ingewikkelde tapijten van ragfijne draden, kwantumverbindingen die bekend staan ​​als verstrikking. Verstrengelde deeltjes gedragen zich op een gecoördineerde manier, en wanneer biljoenen deeltjes verstrengeld raken, kunnen ze rimpelen in gecompliceerde fasen die soms worden vergeleken met dansen. In fasen met topologische orde organiseert verstrengeling deeltjes in lussen van uitgelijnde spins. Wanneer een lus wordt doorgesneden, is elk uiteinde een anyon.

Topologische orde komt in twee smaken. Eenvoudige fasen zoals de torische code hebben een "abelse volgorde". Daar zijn losse eindjes abelse iedereen. Maar onderzoekers die echte niet-abelse mensen zoeken, hebben hun zinnen gezet op een heel ander en veel ingewikkelder tapijt met niet-abelse orde.

De groep van Vishwanath hielp bij het koken van een fase met abelse orde in 2021. Ze droomden ervan verder te gaan, maar het samenvoegen van qubits in niet-abelse verstrengelingspatronen bleek te ingewikkeld voor de onstabiele processors van vandaag. Dus speurde de bemanning de literatuur af naar nieuwe ideeën.

Ze vonden een aanwijzing in een paar of papieren van decennia ervoor. De meeste kwantumapparaten rekenen door hun qubits te masseren, net zoals je een kussen zou pluizen, op een zachte manier waarbij er geen vulling door de naden naar buiten vliegt. Het zorgvuldig breien van verstrengeling door deze "unitaire" operaties kost tijd. Maar in de vroege jaren 2000 kwam Robert Raussendorf, een natuurkundige die nu aan de Universiteit van British Columbia werkt, op een kortere weg. Het geheim was om stukjes van de golffunctie weg te hakken met behulp van metingen - het proces dat normaal gesproken kwantumtoestanden doodt.

"Het is echt een gewelddadige operatie," zei Ruben Verresen, een van Vishwanaths medewerkers op Harvard.

Raussendorf en zijn medewerkers legden uit hoe selectieve metingen aan bepaalde qubits een onverstrengelde toestand konden aannemen en deze opzettelijk in een verstrengelde toestand konden brengen, een proces dat Verresen vergelijkt met het wegsnijden van marmer om een ​​standbeeld te beeldhouwen.

De techniek had een duistere kant die aanvankelijk de pogingen van onderzoekers om niet-abelse fasen te maken, verdoemde: meting levert willekeurige resultaten op. Wanneer de theoretici zich op een bepaalde fase richtten, lieten de metingen niet-abelse mensen willekeurig rondspatten, alsof de onderzoekers probeerden de Mona Lisa te schilderen door verf op een canvas te spetteren. "Het leek een complete hoofdpijn," zei Verresen.

Tegen het einde van 2021 vond de groep van Vishwanath een oplossing: de golffunctie van een qubit-raster modelleren met meerdere meetrondes. Met de eerste ronde veranderden ze een saaie fase van materie in een simpele abelse fase. Vervolgens voerden ze die fase door naar een tweede meetronde, waarbij ze deze verder beitelden tot een meer gecompliceerde fase. Door dit spel van topologische kattenwieg te spelen, realiseerden ze zich dat ze willekeur konden aanpakken door stap voor stap te bewegen, een ladder van steeds ingewikkelder wordende fasen te beklimmen om te bereiken een fase met niet-abelse orde.

"In plaats van willekeurig metingen uit te proberen en te zien wat je krijgt, wil je door het landschap van fasen van materie springen", zei Verresen. Het is een topologisch landschap dat theoretici pas sinds kort hebben begon te begrijpen.

Introductie

Afgelopen zomer testte de groep hun theorie op Quantinuum's H1 trap-ion processor, een van de weinige kwantumapparaten die on-the-fly metingen kan uitvoeren. Net als de Google-groep, zij maakte de abelse torische code en vlechtte zijn niet-abelse gebreken. Ze probeerden voor een niet-abelse fase, maar kwamen daar niet met slechts 20 qubits.

Maar toen nam een ​​onderzoeker bij Quantinuum, Henrik Dreyer, Verresen apart. Nadat hij hem tot geheimhouding had gezworen met een geheimhoudingsverklaring, vertelde hij Verresen dat het bedrijf een apparaat van de tweede generatie had. Cruciaal was dat de H2 maar liefst 32 qubits had. Het vergde veel uitzoekwerk, maar het team slaagde erin om de eenvoudigste niet-abelse fase op te zetten op 27 van die qubits. "Als we een of twee qubits minder hadden gehad, denk ik niet dat we het hadden gekund", zei Vishwanath.

Hun experimenten markeerden de eerste onaantastbare detectie van een niet-abelse fase van materie. "Het realiseren van een niet-abelse topologische orde is iets wat mensen al heel lang willen doen," zei Burnell. "Dat is zeker een belangrijk herkenningspunt."

Hun werk culmineerde in het vlechten van drie paar niet-abelse iedereen, zodat hun trajecten door ruimte en tijd een patroon vormden dat bekend staat als Borromeïsche ringen, het eerste vlechten van niet-abelse iedereen. Drie Borromeïsche ringen zijn onafscheidelijk als ze samen zijn, maar als je er een doorsnijdt, vallen de andere twee uit elkaar.

"Er is een soort gee-whiz-factor," zei Wilczek. "Er is enorme controle over de kwantumwereld voor nodig om deze kwantumobjecten te produceren."

The Big Chill

Terwijl andere natuurkundigen deze mijlpalen vieren, benadrukken ze ook dat Google en Quantinuum een ​​andere race lopen dan Microsoft en Willett. Het creëren van topologische fasen op een kwantumprocessor is als het maken van 's werelds kleinste ijsblokje door een paar dozijn watermoleculen te stapelen - indrukwekkend, zeggen ze, maar lang niet zo bevredigend als het op natuurlijke wijze zien ontstaan ​​van een stuk ijs.

"De onderliggende wiskunde is buitengewoon mooi, en het is zeker de moeite waard om dat te valideren", zei hij Chetaanse Nayak, een onderzoeker bij Microsoft die baanbrekend werk heeft verricht op niet-abelse systemen. Maar van zijn kant, zei hij, hoopt hij nog steeds dat een systeem zich na afkoeling vanzelf in een toestand zal brengen met dit soort ingewikkelde verstrengelingspatronen.

"Als dit ondubbelzinnig zou worden gezien in [Willett's experimenten], zouden we versteld staan", zei Barkeshli. Het zien in een kwantumprocessor "is cool, maar niemand wordt weggeblazen."

Het meest opwindende aspect van deze experimenten, volgens Barkeshli, is hun betekenis voor kwantumberekeningen: onderzoekers hebben eindelijk aangetoond dat ze de benodigde ingrediënten kunnen maken, 26 jaar na het oorspronkelijke voorstel van Kitaev. Nu moeten ze alleen nog uitzoeken hoe ze ze echt aan het werk kunnen zetten.

Een probleem is dat iedereen, net als Pokémon, in een enorm aantal verschillende soorten voorkomt, elk met zijn eigen sterke en zwakke punten. Sommigen hebben bijvoorbeeld rijkere herinneringen aan hun verleden, waardoor hun vlechten rekenkundig krachtiger worden. Maar ze tot leven wekken is moeilijker. Elk specifiek schema zal dergelijke compromissen moeten afwegen, waarvan er vele nog niet worden begrepen.

"Nu we de mogelijkheid hebben om verschillende soorten topologische ordening te maken, worden deze dingen echt en kun je in meer concrete termen over deze afwegingen praten", zei Vishwanath.

De volgende mijlpaal is echte foutcorrectie, wat noch Google noch Quantinuum hebben geprobeerd. Hun gevlochten qubits waren verborgen maar niet beschermd, wat zou hebben geleid tot het meten van de kruimelige onderliggende qubits en het snel oplossen van hun fouten in realtime. Die demonstratie zou een keerpunt zijn in kwantumberekeningen, maar het duurt nog jaren - als het al mogelijk is.

Tot die tijd hopen optimisten dat deze recente experimenten een cyclus op gang zullen brengen waarin meer geavanceerde kwantumcomputers leiden tot een betere beheersing van niet-abelse quasideeltjes, en dat controle op zijn beurt natuurkundigen helpt om meer capabele kwantumapparaten te ontwikkelen.

"Gewoon de kracht van meten naar voren brengen," zei Wilczek, "dat is iets dat een game-wisselaar zou kunnen zijn."

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img