Vår fysiska 3D-värld består av bara två typer av partiklar:bosoner, som inkluderar ljus och den berömda Higgs-bosonen; och fermioner – protonerna, neutronerna och elektronerna som utgör alla "grejer", inklusive nuvarande företag.
Teoretiska fysiker som Ashvin Vishwanath, Harvards George Vasmer Leverett-professor i fysik, gillar dock inte att begränsa sig till bara vår värld. I en 2D-miljö, till exempel, skulle alla typer av nya partiklar och materiatillstånd bli möjliga.
Vishwanaths team använde en kraftfull maskin som kallas en kvantprocessor för att för första gången skapa en helt ny fas av materia som kallas icke-abelian topologisk ordning. Tidigare erkänd enbart i teorin, visade teamet syntes och kontroll av exotiska partiklar som kallas icke-abelian anyon, som varken är bosoner eller fermioner, utan något däremellan.
Deras resultat publiceras i Nature i samarbete med forskare på kvantberäkningsföretaget Quantinuum. Vishwanaths team inkluderade före detta Harvard Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences student Nat Tantivasadakarn '22, nu vid Caltech, och postdoktor Ruben Verresen.
Icke-abeliska vem som helst, kända av fysiker som kvasipartiklar, är bara matematiskt möjliga i ett 2D-plan. Kvalificeraren "kvasi" hänvisar till det faktum att de inte exakt är partiklar, utan snarare långlivade excitationer genom en specifik fas av materien – tänk havsvågor – och de har speciella minnesbärande egenskaper.
Förutom det faktum att att skapa en ny fas av materia är spännande grundläggande fysik, har icke-abelska vem som helst blivit allmänt erkänd som en potentiell plattform för kvantberäkning – vilket ger forskningsresultatet ännu mer betydelse.
Icke-abeliska vem som helst är i sig stabila, till skillnad från de tunna och felbenägna kvantbitarna, eller qubits, på andra kvantberäkningsplattformar. De kan "minna" sina förflutna när de rör sig runt varandra - som en trollkarl som blandar koppar med dolda bollar. Den här egenskapen är också det som gör dem topologiska eller kan böjas och vridas utan att förlora sin kärnidentitet.
Av alla dessa skäl kan icke-abelska vem som helst en dag göra idealiska qubits – enheter av beräkningskraft som sträcker sig långt bortom dagens klassiska datorer – om de kan skapas och kontrolleras i större skala.
"En mycket lovande väg till stabil kvantberäkning är att använda dessa typer av exotiska tillstånd av materia som effektiva kvantbitar och att göra kvantberäkningar med dem," sa Tantivasadakarn. "Då har man i stor utsträckning mildrat problemen med buller."
Forskarna använde en viss envis kreativitet för att förverkliga sitt exotiska materiatillstånd. Genom att maximera kapaciteten hos Quantinuums nyaste H2-processor började teamet med ett gitter av 27 fångade joner. De använde partiella, riktade mätningar för att sekventiellt öka komplexiteten i deras kvantsystem, vilket i praktiken slutade med en konstruerad kvantvågsfunktion med exakta egenskaper och egenskaper hos partiklarna de var ute efter.
"Mätning är den mest mystiska aspekten av kvantmekaniken, vilket leder till berömda paradoxer som Schrödingers katt och många filosofiska debatter," sa Vishwanath. "Här använde vi mätningar som ett verktyg för att skulptera kvanttillståndet av intresse."
Som teoretiker värnar Vishwanath om förmågan att studsa mellan olika idéer och tillämpningar av fysiken utan att vara bunden till en plattform eller teknologi. Men i samband med detta arbete förundras han över att inte bara utforska en teori, utan faktiskt demonstrera den, särskilt när kvantmekaniken går in på sitt 100:e år.
"Åtminstone för mig var det bara fantastiskt att allt fungerar och att vi kan göra något väldigt konkret," sa Vishwanath. "Det förbinder verkligen många olika aspekter av fysiken genom åren, från grundläggande kvantmekanik till nyare idéer om dessa nya typer av partiklar."
Mer information: Mohsin Iqbal et al, Non-Abelian topological order and anyons on a catched-ion processor, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06934-4
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Harvard Gazette
Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.
