MIT fizycy proponują metodę tworzenia frakcjonowanych elektronów, zwanych anyonami nieabelowymi, w materiałach dwuwymiarowych, potencjalnie umożliwiającą postęp obliczenia kwantowe umożliwiając bardziej niezawodne bity kwantowe bez użycia pól magnetycznych.
Ich badania podkreślają potencjał ditellurki molibdenu w tworzeniu tych anyonów, obiecując znaczący postęp w solidnych obliczeniach kwantowych.
Fizycy z MIT przewidują materię egzotyczną na potrzeby obliczeń kwantowych
Fizycy z MIT wykazali, że powinno być możliwe stworzenie egzotycznej formy materii, która mogłaby posłużyć za elementy składowe przyszłych komputerów kwantowych. Te bity kwantowe, czyli kubity, mogą sprawić, że komputery kwantowe będą jeszcze potężniejsze niż te, które są obecnie opracowywane.
Ich badania opierają się na niedawnym odkryciu materiałów, w których elektrony mogą rozszczepiać się na części ułamkowe – jest to zjawisko znane jako frakcjonowanie elektronów. Co najważniejsze, podział ten odbywa się bez potrzeby stosowania pola magnetycznego, dzięki czemu proces jest bardziej praktyczny w zastosowaniach w świecie rzeczywistym.
Postępy w frakcjonowaniu elektronów
Po raz pierwszy frakcjonowanie elektronów zostało odkryte w 1982 r. zdobywając Nagrodę Noblaale oryginalny proces wymagał zastosowania pola magnetycznego. Możliwość tworzenia elektronów frakcjonowanych bez tego wymogu otwiera drzwi do nowych możliwości badawczych i praktycznych zastosowań technologicznych.
Kiedy elektrony dzielą się na ułamki, te ułamki są znane jako anyony. Anyons są dostępne w różnych smakach lub klasach. Anyony odkryte w materiałach z 2023 roku nazywane są anyonami abelowymi. Teraz w artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznegozespół MIT zauważa, że powinno być możliwe stworzenie najbardziej egzotycznej klasy anyonów, anyonów nieabelowych.
Badanie anyonów nieabelowych
„Any nieabelowe mają zdumiewającą zdolność „zapamiętywania” swoich trajektorii czasoprzestrzennych; ten efekt pamięci może być przydatny w obliczeniach kwantowych” – mówi Liang Fu, profesor na Wydziale Fizyki MIT i kierownik prac.
Fu zauważa dalej, że „eksperymenty przeprowadzone w 2023 r. dotyczące frakcjonowania elektronów znacznie przekroczyły oczekiwania teoretyczne. Mój wniosek jest taki, że my, teoretycy, powinniśmy być odważniejsi”.
Fu jest również powiązany z Laboratorium Badań Materiałowych MIT. Jego współpracownikami biorącymi udział w obecnej pracy są absolwenci Aidan P. Reddy i Nisarga Paul oraz doktorant Ahmed Abouelkomsan z Wydziału Fizyki MIT. Reddy i Paul są współpierwszymi autorami książki Listy z przeglądu fizycznego papier.
Implikacje dla obliczeń kwantowych
Prace MIT i dwa powiązane badania zostały również przedstawione w artykule niedawna historia W Magazyn Fizyczny. „Jeśli to przewidywanie zostanie potwierdzone eksperymentalnie, może to doprowadzić do powstania bardziej niezawodnych komputerów kwantowych, które będą w stanie wykonywać szerszy zakres zadań… Teoretycy opracowali już sposoby wykorzystania stanów innych niż abelowe jako wykonalnych kubitów i manipulowania wzbudzeniami tych stanów, aby umożliwić niezawodne obliczenia kwantowe obliczeń” – pisze Ryan Wilkinson.
Obecne prace opierały się na najnowszych osiągnięciach w zakresie materiałów 2D, czyli składających się tylko z jednej lub kilku warstw atomów. „Cały świat materiałów dwuwymiarowych jest bardzo interesujący, ponieważ można je układać w stosy i skręcać, a także bawić się nimi klockami Lego, aby uzyskać różne fajne struktury warstwowe o niezwykłych właściwościach” – mówi Paul. Te struktury warstwowe z kolei nazywane są materiałami mory.
Materiały mory i potencjał kwantowy
Anyony mogą tworzyć tylko w materiałach dwuwymiarowych. Czy mogą tworzyć się w materiałach mory? Eksperymenty przeprowadzone w 2023 r. jako pierwsze pokazały, że tak. Wkrótce potem grupa kierowana przez Long Ju, adiunkta fizyki w MIT, zgłosiła dowody istnienia kogokolwiek w innym materiale mory. (Fu i Reddy również byli zaangażowani w pracę Ju.)
W bieżącej pracy fizycy wykazali, że powinno być możliwe utworzenie nieabelowych anyonów w materiale mory składającym się z atomowo cienkich warstw ditellurki molibdenu. Paul twierdzi, że „materiały mory ujawniły już fascynujące fazy materii w ostatnich latach, a nasza praca pokazuje, że do tej listy można dodać fazy inne niż abelowe”.
Dodaje Reddy: „Nasza praca pokazuje, że elektrony dodane z gęstością 3/2 lub 5/2 na komórkę elementarną mogą zorganizować się w intrygujący stan kwantowy, w którym znajdują się dowolne jony nieabelowe”.
Łączenie teorii i praktyki
Praca była ekscytująca, mówi Reddy, po części dlatego, że „często interpretacja wyników i tego, co faktycznie mówią, jest subtelna. Zabawnie więc było przemyśleć nasze argumenty” na poparcie anyonów nieabelowych.
Paul mówi: „Ten projekt obejmował zarówno naprawdę konkretne obliczenia numeryczne, jak i dość abstrakcyjną teorię i łączył jedno i drugie. Od moich współpracowników dowiedziałem się wiele na bardzo interesujące tematy.”
Odniesienie: „Nieabelowe frakcjonowanie w minipasmach topologicznych” Aidana P. Reddy’ego, Nisargi Paula, Ahmeda Abouelkomsana i Liang Fu, 17 października 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.166503
Prace te były wspierane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych. Autorzy wyrażają także uznanie dla MIT SuperCloud i Lincoln Laboratory Supercomputing Center, Instytutu Fizyki Teoretycznej Kavli, Fundacji Knuta i Alice Wallenbergów oraz Fundacji Simonsa.
