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”.