Aaron Lauda zkoumá oblast matematiky, kterou většina fyziků viděla jen málo využívané, přemýšlel, jestli by to mohlo mít praktické aplikace. V zvratu, který ani neočekával, se ukáže, že tento druh matematiky by mohl být klíčem k překonání dlouhodobé překážky v kvantové výpočetní techniky– a možná i pro pochopení kvantového světa úplně novým způsobem.
Kvantové počítačekteré využívají zvláštnosti kvantové fyziky pro zisky v rychlosti a výpočetních schopnostech na klasických strojích, mohou jednoho dne revoluci v technologii. Prozatím je však tento sen mimo dosah. Jedním z důvodů je, že Qubits, stavební kameny kvantových počítačů, jsou nestabilní a lze jej snadno narušit environmentálním hlukem. Teoreticky existuje robustnější možnost: Topologické qubits Rozložte informace o širší oblasti než běžné qubits. Přesto v praxi bylo těžké si uvědomit. Zatím nejsou stroje, které je podaří používat, univerzální, což znamená, že nemohou dělat vše, co mohou kvantové počítače v plném rozsahu udělat. „Je to jako pokusit se napsat zprávu na klávesnici s pouze polovinou klíčů,“ říká Lauda. „Naše práce vyplňuje chybějící klíče.“ On a jeho skupina na University of Southern California zveřejnili svá zjištění v a Nový papír v časopise Přírodní komunikace.
Lauda a jeho kolegové řeší některé problémy s topologickými qubity pomocí třídy teoretických částic, které nazývají Neghectons, pojmenované pro to, jak byly odvozeny z přehlížené teoretické matematiky. Tyto částice by mohly otevřít novou cestu k experimentálně realizaci univerzálních topologických kvantových počítačů.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Na rozdíl od obyčejných qubitů, které ukládají informace ve stavu jedné částice, Topologické qubits Uložte jej do uspořádání několika částic – což je globální vlastnost, ne místní, což je činí mnohem robustnější.
Vezměte například pletené vlasy. Typ a počet copánků, které má osoba, jsou globální vlastnosti, které zůstávají stejné bez ohledu na to, jak potřásají hlavou. Naproti tomu poloha jednotlivého vlasů je místní nemovitost, která se může posunout s nejmenším pohybem.
Matematická notace Aarona Laudy pro jeho výzkumnou studii „Univerzální kvantové výpočet využívající ising Anyoni z teorie topologického kvantového pole“ na tabuli.
Topologické qubits pracují na podobném principu známém jako Anyon Braiding. ANO jsou kvazičástice – například skutečné částice, jako jsou protony, ale spíše naléhavé jevy z kolektivního chování mnoha částic, jako je vlnky v rybníku. Objevují se ve dvourozměrných kvantových systémech.
V našem trojrozměrném světě je výměna dvou částic jako tkaní jeden řetězec přes nebo pod druhým. Vždy je můžete neoslovit zpět k jejich původní struktuře. Když však vyměníte částice ve dvou rozměrech, nemůžete projít nebo pod; Musíte, aby řetězce procházely navzájem, což trvale mění strukturu řetězců.
Kvůli této vlastnosti může vyměnit dva všichni úplně transformovat stav systému. Tyto swapy mohou být opakovány mezi několika všechny – proces nazývaný Anyon Braiding. Konečný stav závisí na pořadí, ve kterém se vytvářejí swapy nebo copánky, podobně jako způsob, jakým vzorec copu závisí na sekvenci jeho pramenů.
Protože spletení Anyons mění kvantový stav qubit, může být postup použit jako kvantová brána. Stejně jako logická brána v pravidelném počítači mění bity od 0 do 1, aby se umožnila výpočet, kvantové brány manipulují qubits. Tato logika založená na copech je základem toho, jak topologické kvantové počítače vypočítají.
Teoreticky existuje mnoho typů všech. Jedna odrůda, nazvaná Ising Anyons, „jsou naší nejlepší šancí na kvantové výpočetní techniky ve skutečných systémech,“ říká Lauda. „Samotné však nejsou univerzální pro kvantový výpočet.“
Představte si qubit jako číslo na displeji kalkulačky a kvantové brány jako tlačítka na kalkulačce. Neniverzální počítač je jako kalkulačka, která má pouze tlačítka pro zdvojnásobení nebo polovinu. Můžete dosáhnout spousty čísel – ale ne všechny z nich, což omezuje váš výpočetní výkon. Univerzální kvantový počítač by byl schopen dosáhnout všech čísel.
Většina experimentů dělá Ising Computers Universal pomocí zvláštního stavu isingany. Tento stav, stejně jako jediný neohrabaný vlasový pramen, však není chráněn globálními topologickými vlastnostmi, což je náchylné k chybám, a proto podkopává hlavní výhodu používání Isingany.
Laudova tým našel jiný způsob, jak vytvořit počítač ISING Universal zavedením nového druhu jakéhokoli, The Neghectton. Vychází z širšího matematického rámce zvaného nesemisimplepologická topologická teorie kvantového pole, která mění, jak se spočítají určité „zanedbatelné“ složky. Po celá léta byly tyto komponenty vyřazeny, protože mohly způsobit nesmyslné chování, což mělo za následek pravděpodobnost, že se sčítají více než jeden nebo ponoření pod nulou, nebo jiné výsledky, které nedávají žádný fyzický smysl. Nalezením způsobu, jak je pochopit, místo toho, aby je vyřadil, Laudův tým odemkl neprozkoumanou oblast kvantové teorie.
Je to posun, který evokuje první dny imaginárních čísel, což jsou čísla postavená na negativních čtvercových kořenech. Byli to původně jen matematický trik bez fyzického významu – dokud je Erwin Schrödinger použil ve vlnové rovnici, která se stala základním kamenem kvantové mechaniky. „Je to podobné,“ říká Eric Rowell, matematik na Texas A&M University, který se do práce nezúčastnil. „Je to, jako by existují další dveře, které jsme nepronásledovali, protože jsme to nemohli vidět jako fyzické. Možná je třeba je nyní otevřít.“
„Ve světě topologie se tato myšlenka ukázala být velmi silná,“ říká Lauda. Bylo to jako dívat se do kvantové teorie s lupu. V Laudově designu zůstává Nedosvědčení stacionární, zatímco ostatní kolem něj jsou. Toto nastavení představuje novou bránu, díky níž je kvantový počítač univerzální. Na obrázku kalkulačky stavů qubit se tato brána chová jako přidání nebo odečtení 1; Postupem času může tento proces dojít ke všem číslem, na rozdíl od neniverzální verze kalkulačky.
Úlovek spočívá v tom, že přidání zanedbávání rizik tlačení všeho do nefyzického území, ve kterém se pravděpodobnosti přestanou přidávat tak, jak by měly. „Je tu tolik větší teorie,“ říká Lauda, “a sedí uvnitř, je místo, kde všechno fyzicky dává smysl.“ Je to jako když se ve videohře pustíte z mapy – hra se začíná broukat, můžete projít stěnami a všechna pravidla se rozpadat. Trik spočívá v vytvoření algoritmu, který udržuje hráče bezpečně uvnitř mapy. Tato práce padla na postgraduálního studenta Laudy, Filippo Iulianelli, který přepracoval algoritmus, se kterým se setkal v nedávné třídě.
Další překážkou je nalezení reálné verze tohoto systému; Zanedbán prozatím zůstává zcela hypotetický. Lauda je optimistická. Ve 30. letech fyziky použili matematické symetrie k predikci existence podivné subatomické částice – Mesona – předtím, než to experimenty potvrdily. „Netvrdíme, že jsme ve stejné situaci,“ říká, „ale naše práce dává experimentalistům cíl hledat ve stejných systémech, které si uvědomují, že nasazují všechny.“
Shawn Cui, matematik na Purdue University, který se podílel na novém článku, nazývá výzkum „velmi vzrušujícím teoretickým pokrokem“ a doufá, že studie zkoumající fyzické systémy, kde by se tito mohli objevit. Rowell souhlasí a navrhuje, aby nedmok mohl vzniknout z určité interakce mezi systémem ISING a jeho prostředím. „Možná existuje jen trochu extra inženýrství k vytvoření tohoto zanedbátu,“ říká.
Pro Laudu je implementace pouze součástí vzrušení. „Mým cílem je učinit co nejvíce přesvědčivé pro ostatní vědce, že nesemisimple rámec není jen platný, ale vzrušující přístup k lepšímu porozumění kvantové teorii,“ říká. Je nepravděpodobné, že by byl zanedbán mnohem déle.
