Möt ’försummelser’: Tidigare förbises partiklar som kan revolutionera kvantberäkning
Matematiker har hittat ett sätt att omvandla en oproduktiv kvantberäkningsmetod genom att återuppliva en klass av tidigare kasserade partiklar.
Kvantdatorer kan lösa problem utöver kapaciteten hos klassiska datorer genom att använda principer som superposition. Detta betyder a kvantbit eller qubitkan representera både 0 och 1 samtidigt, liknande det berömda tankeexperimentet av en katt som är både död och levande. Men qubits är extremt bräckliga. Interaktioner med miljön kan enkelt störa sina kvanttillstånd. Deras bräcklighet gör det svårt att bygga stabila kvantdatorer.
Nu, i en ny studie Matematiker publicerades i tidskriften Nature Communications och har visat att när de var i par med matematiska element som tidigare kastats ut som irrelevant, kan en slags kvasipartikel som kallas en ising anyon hjälpa till att övervinna den bräckligheten. De utsåg de återupplivade komponenterna ”försummelser.”
Ising någon finns endast i tvådimensionella system. De är kärnan i topologisk kvantberäkning. Det betyder att någon av alla lagar information som inte är i själva partiklarna, utan i hur de slingrar eller flätar runt varandra. Den flätningen kan koda och bearbeta information på sätt som är mycket mer motståndskraftiga mot miljöbuller.
Men det har varit en stor begränsning. ”Det enda problemet med att utföra någon är att de inte är universella,” Aaron Laudaprofessor i fysik och matematik vid University of South California, berättade för Live Science. ”Det är som när du har ett tangentbord och det bara har hälften av tangenterna.”
Släkt: Forskare gör ”Magic State” genombrott efter 20 år – utan det kan kvantdatorer aldrig vara riktigt användbara
Det är där den förbisett matematiken kommer in. Teamet besökte en klass av teorier som kallas ”icke-semisimple topologisk kvantfältteori”, används för att studera symmetri i matematiska objekt.
”Detta är en nyckelidé i partikelfysik,” sa Lauda. ”Du kan förutsäga nya partiklar som människor inte visste om bara genom att förstå symmetrin för vad som händer.”
I denna teori har varje partikel en kvantdimension – ett nummer som återspeglar hur mycket ”vikt” eller inflytande har i systemet. Om antalet är noll kastas partikeln vanligtvis.
”Den viktigaste idén med dessa nya icke-hemliga versioner är att du håller dessa partiklar, som ursprungligen hade nollvikt,” sa Lauda till Live Science. ”Och du kommer med ett nytt sätt att mäta vikten. Det finns vissa egenskaper som det måste tillfredsställa och ta reda på hur du gör att numret inte är noll.”
De försummade bitarna, som tolkades om som partiklar, fyllde i de saknade förmågan att isera någon. Teamet visade att med bara en försummelse som läggs till systemet blir partikeln kapabel till universell beräkning bara genom flätning.
Varför spelar någon roll?
För att se varför någon annan är viktig, hjälper det att förstå deras speciella beteende i två dimensioner.
I tre dimensioner gillar partiklar Bosoner och fermioner kan slinga runt varandra. Men dessa slingor kan ångras, som att glida en sträng över eller under en annan. I två dimensioner, däremot, finns det ingen ”över” eller ”under.” Det betyder att när någon rör sig runt varandra, kan vägarna inte bli otrevliga, vilket ger upphov till grundläggande ny fysik.
”Sättet att tänka på det,” förklarade Lauda, ”är om jag börjar med ett tillstånd noll och jag lindar det runt, stannar det i ett tillstånd noll eller någon multipel av det? Eller skapar det en noll och en? Kan jag blanda dem och skapa dessa superpositioner som jag behöver göra kvantberäkning?”
Nyckeln med att isera någon är att kunna skapa superpositioner. Eftersom dessa operationer beror på den övergripande formen på flätningsvägen, snarare än på exakta platser, är de naturligt skyddade från många typer av brus.
Upptäckten betyder inte att vi har topologiska kvantdatorer imorgon. Men det antyder att forskare snarare än att uppfinna helt nya material eller exotiska partiklar bara behöva titta på bekanta system genom en ny matematisk lins.
