21 فوریه 2024 -توسط آن جی. منینگ، روزنامه هاروارد-داخل محفظه پردازنده کوانتومی Quantinuum H2. اعتبار: کوانتینیوم
دنیای فیزیکی و سه بعدی ما فقط از دو نوع ذره تشکیل شده است: بوزون ها که شامل نور و بوزون معروف هیگز است. و فرمیون‌ها – پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها که شامل همه «مواد» حاضر می‌شوند.
فیزیکدانان نظری مانند آشوین ویشوانات، استاد فیزیک جورج واسمر لورت از هاروارد، دوست ندارند خود را فقط به دنیای ما محدود کنند. برای مثال، در یک محیط دو بعدی، انواع ذرات و حالت‌های ماده جدید ممکن می‌شوند.
تیم Vishwanath از یک ماشین قدرتمند به نام پردازنده کوانتومی استفاده کرد تا برای اولین بار فاز جدیدی از ماده به نام نظم توپولوژیکی غیر آبلی را بسازد. این تیم که قبلاً فقط در تئوری شناخته شده بود، سنتز و کنترل ذرات عجیب و غریبی به نام آنیون‌های غیرآبلی را نشان دادند که نه بوزون هستند و نه فرمیون، بلکه چیزی در این بین هستند.
نتایج آنها در Nature با همکاری محققان شرکت محاسبات کوانتومی Quantinuum منتشر شده است. تیم Vishwanath شامل دانشجوی سابق دانشکده هنر و علوم دانشگاه هاروارد کنت سی. گریفین، نات تانتیواساداکارن ، که اکنون در کالتک است، و روبن ورسن، دانشجوی فوق دکترا بود.
آنیون های غیر آبلی که فیزیکدانان آن را به عنوان شبه ذرات می شناسند، فقط از نظر ریاضی در یک صفحه دوبعدی امکان پذیر هستند. واجد شرایط “شبه” به این واقعیت اشاره دارد که آنها دقیقاً ذرات نیستند، بلکه برانگیختگی های طولانی مدت از طریق یک مرحله خاص از ماده – امواج اقیانوس را در نظر بگیرید – و دارای قابلیت های ویژه ای برای حمل حافظه هستند.
علاوه بر این واقعیت که ایجاد فاز جدیدی از ماده یک فیزیک بنیادی هیجان‌انگیز است، هر یون‌های غیرآبلی به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان یک پلتفرم بالقوه برای محاسبات کوانتومی شناخته شده‌اند – که دستاوردهای تحقیقاتی را با اهمیت بیشتری القا می‌کند.
آنیون های غیر آبلی بر خلاف بیت های کوانتومی ضعیف و مستعد خطا یا کیوبیت ها در سایر پلت فرم های محاسباتی کوانتومی، ذاتاً پایدار هستند. آنها می توانند در حین حرکت در اطراف یکدیگر گذشته خود را “به یاد بیاورند” – مانند یک شعبده باز که فنجان ها را با توپ های مخفی به هم می زند. این ویژگی همچنین چیزی است که آنها را توپولوژیک می کند یا می توانند بدون از دست دادن هویت اصلی خود خم و پیچ شوند.
به همه این دلایل، هر کسی غیر آبلی ممکن است روزی کیوبیت‌های ایده‌آل بسازد – واحدهایی از قدرت محاسباتی که بسیار فراتر از رایانه‌های کلاسیک امروزی است – اگر بتوان آنها را در مقیاس‌های بزرگ‌تر ایجاد و کنترل کرد.
تانتیواساداکارن گفت: «یک راه بسیار امیدوارکننده برای محاسبات کوانتومی پایدار، استفاده از این نوع حالت‌های عجیب و غریب ماده به عنوان بیت‌های کوانتومی مؤثر و انجام محاسبات کوانتومی با آنها است.»
محققان برای درک وضعیت ماده عجیب و غریب خود، از خلاقیت شدیدی استفاده کردند. تیم با به حداکثر رساندن قابلیت‌های جدیدترین پردازنده H2 کوانتینووم، کار خود را با شبکه‌ای از 27 یون به دام افتاده آغاز کرد. آنها از اندازه‌گیری‌های جزئی و هدفمند برای افزایش متوالی پیچیدگی سیستم کوانتومی خود استفاده کردند، و عملاً به یک تابع موج کوانتومی مهندسی شده با خواص و ویژگی‌های دقیق ذراتی که دنبال می‌کردند، ختم شد.
ویشوانات گفت: اندازه‌گیری مرموزترین جنبه مکانیک کوانتومی است که منجر به پارادوکس‌های معروفی مانند گربه شرودینگر و بحث‌های متعدد فلسفی می‌شود. در اینجا ما از اندازه گیری ها به عنوان ابزاری برای مجسمه سازی حالت کوانتومی مورد نظر استفاده کردیم.
به عنوان یک نظریه پرداز، ویشوانات توانایی جهش بین ایده ها و کاربردهای مختلف فیزیک را بدون اتصال به یک پلتفرم یا فناوری ارزشمند می داند. اما در زمینه این کار، او نه تنها یک نظریه را کشف می کند، بلکه در واقع آن را نشان می دهد، به ویژه زمانی که حوزه مکانیک کوانتومی وارد صدمین سال خود می شود، شگفت زده می شود.
ویشوانات گفت: «حداقل برای من، شگفت‌انگیز بود که همه چیز کار می‌کند، و اینکه ما می‌توانیم کاری بسیار ملموس انجام دهیم. این واقعاً بسیاری از جنبه‌های مختلف فیزیک را در طول سال‌ها، از مکانیک کوانتومی بنیادی گرفته تا ایده‌های جدیدتر در مورد این نوع جدید از ذرات، به هم مرتبط می‌کند.»
