Các nhà nghiên cứu đã có thể quan sát được hiệu ứng kỳ lạ của anyons phi-Abelian sợi khuyên, lần đầu tiên. Tín dụng: Google Quantum AI.
Google Quantum AI đã quan sát được anyons phi-Abelian sợi khuyên lần đầu tiên, đột phá này có thể cách mạng hóa tính toán lượng tử bằng cách làm cho nó mạnh hơn với tiếng ồn và dẫn đến tính toán lượng tử topological.
Trực giác của chúng ta cho rằng không thể nhìn thấy liệu hai vật thể đồng nhất có được đổi chỗ liên tục hay không và đối với tất cả các hạt đã được quan sát đến nay, điều đó đã xảy ra. Tuy nhiên, anyons phi-Abelian - loại hạt duy nhất đã được dự đoán sẽ phá vỡ quy tắc này - đã được tìm kiếm vì tính năng hấp dẫn của chúng và tiềm năng cách mạng hóa tính toán lượng tử bằng cách điều khiển hoạt động của chúng trong môi trường có nhiễu. Microsoft và các công ty khác đã lựa chọn hướng tiếp cận này cho nỗ lực tính toán lượng tử của họ. Tuy nhiên, sau hàng thập kỷ nỗ lực của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này, việc quan sát anyons phi-Abelian và hành vi kỳ lạ của chúng đã vượt qua thử thách.
Trong một bài báo được đăng trên tạp chí Nature vào ngày 11 tháng 5, các nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI đã thông báo rằng họ đã sử dụng một trong các bộ xử lý lượng tử siêu dẫn của mình để quan sát hành vi kỳ quặc của anyons phi-Abelian sợi khuyên lần đầu tiên. Họ cũng đã chứng minh được làm thế nào hiện tượng này có thể được sử dụng để thực hiện tính toán lượng tử. Trong tuần này, công ty tính toán lượng tử Quantinuum đã phát hành một nghiên cứu bổ sung về chủ đề này, bổ sung cho khám phá ban đầu của Google. Những kết quả mới này mở ra một con đường mới đối với tính toán lượng tử topological, trong đó các hoạt động được thực hiện bằng cách quấn anyons phi-Abelian sợi khuyên quanh nhau giống như dây.
Thành viên của nhóm Google Quantum AI và tác giả chính của bản thảo, Trond I. Andersen nói: "Việc quan sát hành vi kỳ lạ của anyons phi-Abelian lần đầu tiên thực sự làm nổi bật những hiện tượng thú vị mà chúng ta có thể truy cập bây giờ với máy tính lượng tử."
Tưởng tượng rằng bạn được chỉ ra hai đối tượng đồng nhất sau đó được yêu cầu đóng mắt. Mở mắt của bạn trở lại và bạn nhìn thấy hai đối tượng giống nhau. Làm thế nào để bạn xác định nếu chúng bị đổi chỗ? Trực giác cho rằng nếu các đối tượng thật sự giống nhau, không có cách nào để phân biệt.
Cơ học lượng tử ủng hộ trực giác này, nhưng chỉ trong thế giới ba chiều quen thuộc của chúng ta. Nếu các đối tượng giống nhau bị giới hạn chỉ di chuyển trong một mặt phẳng hai chiều, đôi khi, trực giác của chúng ta có thể sai lệch và cơ học lượng tử cho phép một cái gì đó kỳ lạ: anyons phi-Abelian sợi khuyên giữ lại một loại "bộ nhớ" - có thể cho biết khi hai trong số chúng đã được trao đổi, mặc dù chúng hoàn toàn giống nhau.
"bộ nhớ" của anyons phi-Abelian có thể được coi là một đường liên tục trong không gian - "world-line" của hạt. Khi hai anyons phi-Abelian sợi khuyên được trao đổi, các "world-line" của chúng quấn quanh nhau. Quấn chúng theo cách đúng, và các vòng nút và sợi khuyên kết quả hình thành các hoạt động cơ bản của một máy tính lượng tử topological.
Nhóm bắt đầu bằng cách chuẩn bị các qubit siêu dẫn của họ trong trạng thái lượng tử đan xen có thể biểu thị tốt như một bảng kiểm tra - một cấu hình quen thuộc đối với nhóm Google, người đang khiến đánh dấu trên sự sửa chữa lỗi lượng tử bằng cách sử dụng thiết lập này. Trong sắp xếp kiểm tra, anyons Abelian có liên quan - nhưng ít hữu ích hơn - có thể xuất hiện.
Để hiểu anyons phi-Abelian, các nhà nghiên cứu đã kéo dài và nén trạng thái lượng tử của qubits của họ để biến hình mẫu ô vuông thành đa giác có hình dạng lạ. Các đỉnh cụ thể trong các đa giác này được trang bị anyon phi-Abelian sợi khuyên. Sử dụng một giao thức được phát triển bởi Eun-Ah Kim tại Đại học Cornell và cựu bác sĩ sau tiến sĩ Yuri Lensky, nhóm sau đó có thể di chuyển anyons phi-Abelian sợi khuyên xung quanh bằng cách tiếp tục biến dạng lưới và thay đổi vị trí đỉnh phi-Abelian.
Trong một loạt các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu tại Google đã quan sát hành vi của các anyons phi-Abelian và cách chúng tương tác với anyons Abelian tầm thường hơn. Việc quấn hai loại hạt này quanh nhau đã tạo ra hiện tượng kỳ quặc - các hạt biến mất bí hiểm, hiện ra và thay đổi hình dạng từ một loại sang một loại khác khi chúng quấn quanh nhau và va chạm. Quan trọng nhất, nhóm đã quan sát thấy dấu hiệu của anyons phi-Abelian: khi hai trong số chúng được trao đổi, nó gây ra một thay đổi đo được trong trạng thái lượng tử của hệ thống của họ - một hiện tượng nổi bật chưa bao giờ được quan sát trước đó.
Cuối cùng, nhóm đã chứng minh được cách làm uốn anyons phi-Abelian có thể được sử dụng trong tính toán lượng tử. Bằng cách uốn một số anyons phi-Abelian sợi khuyên với nhau, họ đã tạo ra một trạng thái liên kết lượng tử nổi tiếng được gọi là trạng thái Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).
Vật lý của các hạt phi-Abelian cũng nằm ở trung tâm của phương pháp mà Microsoft đã lựa chọn cho nỗ lực tính toán lượng tử của họ. Trong khi họ cố gắng thiết kế các hệ thống vật liệu tự nhiên chứa các anyons này, nhóm Google đã chứng minh rằng cùng loại vật lý có thể được thực hiện trên các bộ xử lý siêu dẫn của họ.
Tuần trước, công ty tính toán lượng tử Quantinuum đã phát hành một nghiên cứu bổ sung ấn tượng khác đã thực hiện anyons phi-Abelian sợi khuyên, trong trường hợp này sử dụng một bộ xử lý ion bị mắc kẹt. Andersen phấn khích khi thấy các nhóm tính toán lượng tử khác quan sát anyons phi-Abelian sợi khuyên. Ông nói: "Sẽ rất thú vị để xem anyons phi-Abelian được sử dụng trong tính toán lượng tử trong tương lai, và liệu hành vi kỳ quặc của chúng có thể giữ chìa khóa cho tính toán lượng tử topological chống lỗi."
