Состояния, подобные частицам, сохраняют запись о том, что они поменялись друг с другом местами.
В одном квантовом компьютере ученые оплели квантовые объекты, называемые неабелевыми анионами, внутри массива квантовых битов (изображенного в виде решетки). На этой иллюстрации, изображающей снимки во времени слева направо, аньоны ведут запись о перемещении друг вокруг друга (красные и зеленые следы).
Анионы?
Ученые создали новые странные объекты, похожие на частицы, называемые неабелевыми анионами. Эти давно желанные квазичастицы могут быть "заплетены", то есть их можно перемещать друг вокруг друга и сохранять память об этом перемещении, подобно тому, как заплетенный хвост хранит запись о порядке пересечения прядей друг с другом.
Две независимые группы - одна под руководством исследователей из Google, другая - из компании Quantinuum, занимающейся квантовыми вычислениями, - сообщили о создании и заплетении версий этих анйонов с помощью квантовых компьютеров. Результаты исследований Google и Quantinuum, о которых сообщается 11 мая в журнале Nature и 9 мая на сайте arXiv.org, могут помочь ученым построить квантовые компьютеры, устойчивые к ошибкам, которые в настоящее время не дают покоя этим машинам.
Неабелевы анионы бросают вызов общепринятой интуиции о том, что происходит с объектами, которые меняются местами. Представьте себе уличную игру с чашками и шариками, в которой исполнитель меняет местами одинаковые чашки. Если бы вы не следили внимательно, вы бы никогда не узнали, что две чашки были перемещены друг вокруг друга и вернулись в исходное положение. В квантовом мире это не всегда так.
"Предсказано, что существует сумасшедшая частица, которая, если вы поменяете их местами, пока у вас закрыты глаза, вы сможете определить это уже после", - говорит физик Тронд Андерсен из Google Quantum AI в Санта-Барбаре, Калифорния. "Это противоречит нашему здравому смыслу и кажется безумием".
Частицы в нашем обычном трехмерном мире не могут проделать этот фокус. Но когда частицы ограничены только двумя измерениями, правила меняются. Хотя у ученых нет двухмерной вселенной, в которой можно исследовать частицы, они могут манипулировать материалами или квантовыми компьютерами, чтобы те проявляли поведение, подобное поведению частиц, живущих в двух измерениях, создавая объекты, известные как квазичастицы.
Все фундаментальные субатомные частицы делятся на два класса в зависимости от того, как ведут себя идентичные частицы каждого типа, если их поменять местами. Они либо фермионы - класс, включающий электроны и другие частицы, из которых состоит материя, - либо бозоны, включающие частицы света, известные как фотоны.
Но в двух измерениях есть еще один вариант: анионы. Для бозонов или фермионов обмен одинаковыми частицами туда-сюда или их перемещение друг вокруг друга не может иметь непосредственно измеряемого эффекта. Для анионов это возможно.
В 1990-х годах ученые поняли, что конкретная версия аниона, называемая неабелевым анионом, может быть использована для создания квантовых компьютеров, способных защитить хрупкую квантовую информацию, которую легко выбить из колеи незначительными возмущениями.
"По фундаментальным причинам эти анионы очень интересны, а по практическим причинам люди надеются, что они могут быть полезны", - говорит физик-теоретик Майсам Баркешли из Мэрилендского университета в Колледж-Парке, который не участвовал в обоих исследованиях.
Команда Google создала анионы с помощью сверхпроводящего квантового компьютера, где квантовые биты, или кубиты, сделаны из материала, который проводит электричество без сопротивления. Исследование Quantinuum, которое еще не прошло рецензирование, основано на квантовом компьютере, чьи кубиты состоят из пойманных в ловушку электрически заряженных атомов иттербия и бария. В обоих случаях ученые манипулировали кубитами для создания анйонов и их перемещения, демонстрируя измеримые изменения после оплетения анйонов.
Ранее ученые уже создавали и оплетали менее экзотический тип аннона, называемый абелевым анноном, внутри двухмерного слоя твердого материала (SN: 7/9/20). Многие физики также ищут твердый материал, в котором можно было бы разместить неабелевы типы.
Но новые исследования создают неабелевы состояния в кубитах внутри квантового компьютера, что принципиально отличается, говорит Баркешли. "Вы как бы синтетически создаете состояние на мимолетный момент". Это означает, что оно не обладает всеми свойствами, которыми обладали бы анноны в твердом материале, говорит он.
В обоих случаях необходимо проделать еще много работы, прежде чем на основе анйонов можно будет создать мощные, устойчивые к ошибкам квантовые компьютеры. Исследование Google, в частности, привело к получению анниона, который подобен рыбе, вырвавшейся из воды. Это неабелян в рамках более распространенной абелевой структуры. Это означает, что такие аннионы могут быть не столь мощными для квантовых вычислений, говорит Баркешли.
Дело не только в практической пользе. Демонстрация того, что неабелевы анионы действительно существуют, имеет фундаментальное значение, говорит Хенрик Дрейер, физик из Quantinuum в Мюнхене. Это "подтверждает, что правила квантовой механики действуют так, как мы думали".
