Qubits, enheterna som används för att koda information i kvantberäkningar, är inte alla skapade lika. Vissa forskare tror att topologiska qubits, som är tuffare och mindre känsliga för miljöbuller än andra typer, kan vara det bästa mediet för att driva kvantberäkning framåt.

Kvantfysiken handlar om hur fundamentala partiklar interagerar och ibland går samman för att bilda nya partiklar som kallas kvasipartiklar. Kvasipartiklar förekommer i snygga teoretiska modeller, men att observera och mäta dem experimentellt har varit en utmaning. Med skapandet av en ny enhet som gör det möjligt för forskare att undersöka interferens av kvasipartiklar, vi kan vara ett stort steg närmare. Resultaten publicerades i måndags Naturfysik .

"Vi kan undersöka dessa partiklar genom att få dem att störa, " sa Michael Manfra, Bill och Dee O'Brian ordförande professor i fysik och astronomi vid Purdue University. "Folk har försökt göra det här länge, men det har funnits stora tekniska utmaningar."

För att studera så här små partiklar, Manfras grupp bygger teeny, små enheter som använder en kristalltillväxtteknik som bygger atomlager för atomlager, kallas molekylär strålepitaxi. Enheterna är så små att de begränsar elektroner till två dimensioner. Som en kula som rullar runt på en bordsskiva, de kan inte röra sig upp eller ner.

Om enheten, eller "bordsskiva, "är tillräckligt ren och smidig, det som dominerar experimentets fysik är inte elektronernas individuella handlingar, men hur de interagerar med varandra. För att minimera den individuella energin hos partiklar, Manfras team kylde ner dem till extremt låga temperaturer - runt -460 grader Fahrenheit. Dessutom, elektronerna utsattes för ett stort magnetfält. Under dessa tre förhållanden:extremt kalla temperaturer, begränsad till två dimensioner, och exponeras för ett magnetfält, riktigt konstig fysik börjar hända. Fysiker kallar detta den fraktionerade kvanthallsregimen.

"Under dessa exotiska förhållanden, elektroner kan ordna sig så att grundobjektet ser ut som om det bär en tredjedel av en elektronladdning, sa Manfra, som också är professor i materialteknik, och el- och datateknik. "Vi tänker på elementarpartiklar som antingen bosoner eller fermioner, beroende på partikelns spinn, men våra kvasipartiklar har ett mycket mer komplext beteende när de utvecklas runt varandra. Att bestämma laddningen och statistiska egenskaper för dessa tillstånd är en långvarig utmaning inom kvantfysiken."

För att få partiklarna att störa, Manfras grupp byggde en interferometer:en enhet som slår samman två eller flera källor av kvasipartiklar för att skapa ett interferensmönster. Om du kastade två stenar i en damm, och deras vågor korsade sig någon gång, det är här de skulle generera störningar och mönstren skulle förändras.

Men att replikera dessa effekter i mycket mindre skala är extremt svårt. I ett så trångt utrymme, elektroner tenderar att stöta bort varandra, så det kostar extra energi att passa in en annan elektron i rymden. Detta tenderar att förstöra störningseffekterna så att forskare inte kan se dem tydligt.

Purdue-interferometern övervinner denna utmaning genom att lägga till metallplattor endast 25 nanometer från de störande kvasipartiklarna. Metallplattorna skärmar bort de frånstötande interaktionerna, minska energikostnaderna och tillåta störningar.

Den nya enheten har identiska väggar på varje sida och metallgrindar, lite som ett flipperspel. Men till skillnad från ett flipperspel, som sprider sig kaotiskt, elektronerna i denna enhet följer ett mycket strikt mönster.

"Det magiska med kvanthalleffekten är att all ström kommer att färdas på kanten av provet, inte genom mitten, sa James Nakamura, Ph.D. kandidat vid Purdue och huvudförfattare till tidningen. "När kvasipartiklar tunnlas över stråldelaren, de är delade på mitten, i kvantmekanisk mening. Det händer två gånger, vid två stråldelare, och interferens uppstår mellan de två olika vägarna."

I en sådan bisarr fysiksfär, det kan vara svårt för forskare att veta om det de tror att de ser är vad de faktiskt ser. Men dessa resultat visar att potentiellt för första gången, forskare har sett kvantmekanisk interferens av kvasipartiklar.

Denna mekanism kan också hjälpa till vid utvecklingen av topologiska qubits på vägen.

"Så vitt vi vet, detta är den enda gångbara plattformen för att försöka göra mer komplexa experiment som kan, i mer komplicerade tillstånd, vara grunden för en topologisk qubit, " Sa Manfra. "Vi har försökt bygga dessa ett tag, med slutmålet att validera några av dessa mycket märkliga egenskaper. Vi är inte ända dit än, men vi har visat att detta är den bästa vägen framåt."