Örgülü kuantum hesaplama
Önsöz: Daha önce, editör Pan Jianwei'nin Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ndeki ekibinin kuantum hesaplamadaki ilerlemesini size tanıttı.Bilim adamları, bazıları fotonları, bazıları da süperiletken sistemleri kullanan çeşitli sistemlerle kuantum hesaplama gösterileri gerçekleştirdiler.
Bugün, editör size kuantum bilgisayar olarak kullanılan daha gizemli bir madde durumunu tanıtmak istiyor. Doğada nerede olduğu sanal gerçeklik ve gerçeklik hakkında belirsiz ve davranışı sıradan parçacıklardan çok farklı. Kişiliği daha istekli. , Buna "anyon" diyelim.
Bilim adamları çimdikliyor ve sayıyor - iki yönlü folyoda anyonlar olmalı
Mikroskobik parçacıkların sınıflandırılmasında fotonların bozon, elektronların fermiyon olduğunu söylüyoruz, aralarındaki fark nedir?
İki özdeş parçacığın konum değiştirdiğini hayal edelim. Bu, birini diğerinin etrafında yarım daire saat yönünde (veya saat yönünün tersine) döndürerek elde edilebilir. İki parçacığın dalga fonksiyonları değişecektir - -Bir faz faktörü, orijinal dalga fonksiyonundan farklıdır. Faz 0'a eşitse veya 2'nin tam sayı katı ise, bu bir bozondur; 'nın tek katı ise bir fermiyondur.
İki mikroskobik parçacığın değiştirilmesi, genel bir faz faktörü
Bununla birlikte, bilim adamları, iki boyutlu durumda, bazı topolojik nedenlerden dolayı, bu fazın 0 ile arasında herhangi bir değer alabileceğini (belki bir matris bile) bulmuşlardır.Bu tür bir parçacık çok istekli olduğu için, basitçe "anyon" olarak adlandırılır. "Tamam.
Matematiksel olarak mantıklı olsa da soru, herhangi bir şeyin var olup olmadığı sorusudur. Neyse ki, insanlar daha sonra bazı düşük sıcaklık, güçlü alanlı iki boyutlu sistemlerde (fraksiyonel kuantum Hall durumları gibi) anyonların işaretlerini gözlemlediler - sistemi temel durumdan (vakum durumu) düşük uyarılmış duruma geçirme süreci şu şekilde kabul edilebilir: Bu, yarı parçacık oluşturma sürecidir ve bu yarı parçacıkların istatistiksel davranışı, anyonun doğasına uygundur.
Deney ayrıca, bu temel uyarma tarafından üretilen herhangi bir şeyin kesirli bir yük olan bir özelliğe sahip olduğunu buldu. Bu puan doğrudan malzemenin topolojik özellikleriyle ilgilidir. Bu nedenle, insanlar her zaman bu topolojik elemanın uyarılmasını ve kesirli yükünü doğrudan gözlemlemeyi ummuşlardır, böylece anyonun anlaşılması daha doğrudan olacaktır.
Anyon ayrıca kuantum hesaplama da yapabilir!
Deneysel olarak olsa da, herhangi bir şeyin anlaşılması çok açık değildir, ancak bilim adamları, rasgele alt sistemlerin, kuantum hesaplamayı gerçekleştirmek için iyi malzemeler olduğunu hala hevesle keşfetmiştir. Neden öyle diyorsun?
Şimdi, klasik bilgisayarın nasıl çalıştığını hatırlamak için lütfen editörü takip edin.
İlk olarak, 0 ve 1'i temsil etmek için yüksek ve düşük seviyeleri kullanırız, daha sonra belirli bir programa göre bitler üzerinde mantıksal işlemler gerçekleştirmek için mantık devrelerini kullanırız ve son olarak, hesaplamanın gerçekleştirilmesi için sonuçları çıkarırız.
Daha sonra bu süreci kuantum bilgisayarlar için benzer şekilde anlayabiliriz. Bununla birlikte, klasik bit, 0 ve 1'in üst üste binme durumunda olabilen bir kübit haline gelir. Daha sonra kübit üzerinde bir kuantum işlemi gerçekleştiriyoruz ve sonunda sonucu almak için son durumu ölçüyoruz.
Fiziksel sistem seçiminde bilim adamları birçok farklı girişimde bulundular. Örneğin, elektronun spini, fotonun polarizasyonu ve Josephson bağlantısının iki seviyeli sisteminin tümü, iki durumun üst üste binmesi olarak ifade edilebilir ve böylece bir kübit olarak hareket edebilir. Bununla birlikte, hepsinin büyük bir sorunu var, yani hesaplama sürecinde tutarlılığı sürdürmek zor. Tutarlılık olmadan kuantum hesaplamanın hiçbir avantajı yoktur.
Bu sorunun üstesinden gelme yolunda kendine ait bir yöntem var, bu da topolojik kuantum hesaplama.
Editör, bilimi "topolojik kuantum hesaplamayı" arkadaşları arasında zorla popüler hale getirdiğinde, herkesin ifadeleri şöyle görünüyordu: Kelimeleri biliyorum ve birbirlerine bağlandıklarında ne anlama geldiklerini bilmiyorum. Peki, editör bu kelimelerden ayrı ayrı bahsedecek.
"Topolojik kuantum hesaplama" nedir
Önce topolojinin ne olduğunu anlayalım.
Topolojiyi belirli özelliklerin değişmezliği olarak anlayabilirsiniz. Örneğin, en sezgisel şey geometrik değişmezliktir - bir çörek ve bir kahve fincanı, çok farklı görünseler de, ancak topoloji açısından, tamamen aynıdırlar, her ikisinin de bir deliği vardır. Kahve fincanı, sürekli deformasyon yoluyla bir çörek haline getirilebilir. Geometrik anlayışa ek olarak, fizikteki bazı sistemlerin de benzer yasaları vardır - onu nasıl çalıştırırsanız veya sistemdeki bireysel değişiklikler nasıl olursa olsun, bazı özellikler bir bütün olarak değişmez, biz buna topolojik sistem diyoruz.
Peki kuantum hesaplama nedir? Daha önce de söylediğimiz gibi, mantıksal bir kübit kodlamamız gerekir.Bu kübit ile klasik bit arasındaki en büyük fark, 0 ve 1'in iki halinin üst üste binmesini sağlayabilmesidir. O halde kübitin üniter dönüşüm olması gerekir, yani İşlem veya hesaplama; Son olarak, sonuç ölçülebilir, yani okunabilir olmalıdır.
Bilim adamları kuantum hesaplama ile topolojiyi bir araya getirdiklerinde ne yapmak istiyorlar? En güçlü hataya dayanıklı işlevi elde etmek için sistemin değişmezliğinin bir kısmını kullanmayı umuyorlar. Artık her kırılgan dönüşü korumak için dikkatli olmamıza gerek yok. Dış müdahale olmadığı sürece tüm sistemin kendisi belirli bir özelliği değişmeden sabit tutacaktır. Özellikle güçlü olan sistem rahatsız edilmeyecek.
Kısacası, bilim adamları, topoloji tarafından korunan, çevredeki gürültüden çok etkilenmeyen ve tutarlılığı iyi koruyabilen özel bir durum oluşturmak istiyorlar.
Doğal olarak rahatsızlıklara direnme kabiliyetine sahip olan bu tür kuantum hesaplama, şüphesiz bilim adamlarına özel bir çekiciliğe sahiptir, bilim adamları bunu sihirli anyonların yardımıyla gerçeğe dönüştürebilirler.
Anyon, topolojik yüke göre birkaç türe ayrılabilen bir tür yarı parçacıktır. Biryonun uyarılmamış durumuna temel durum denir. Temel durum dejenere olabileceğinden, bu iki dejenere durum bir kübiti kodlamak için üst üste getirilebilir; daha sonra, herhangi bir yolla, rastgele kullanılarak uyarılabilir. Alt sistemin toplam topolojik yükü değişmezdir.Değişim için herhangi bir öğeyi sürükleyip bırakın, bu bir örgü oluşturmaktır ve ardından sistemin temel durum uzayına dönmesine izin verin, bu da temel durumda üniter bir dönüşüm gerçekleştirir; son olarak, son durum ölçülür ve çıkarılır. Hesaplama sonuçları.
Bu yarı parçacıklı sistem için, temel durum ile uyarılmış durum arasında büyük bir enerji boşluğu olmalıdır.Bu şekilde, dış parazit çok büyük olmadığı sürece, sistemin uyarılmış duruma geçmesine neden olmayacak ve böylece hata oluşmasını engelleyecektir.
Anyon dokuma
Bilim adamları, sanaldan gerçeğe yarı parçacıklar yapıyor
Bunu okuduğunuzda "kulağa güzel geliyor" mu hissediyorsunuz? Evet, evet, anyon sadece bir tür yarı parçacıktır, çoğu insanın gözünde sadece teorik sistemde bir tanımlama metodudur ve doğal olarak etrafımızda elektronlar ve fotonlar gibi bulunmaz. İnsanlar, doğal malzeme sisteminde henüz bir şey bulamadılar.
Öyleyse, keyfi bir alt sistemi yapay olarak inşa etmek mümkün müdür?
2003 yılında Kitaev topolojik kuantum hesaplamayı önerdi ve teorik önerisinde 1/2 spinli parçacıklardan oluşan yapay bir spin grid modeli tasarladı ve bu parçacıklar arasında özel etkileşimler var. Topolojik bir sistem oluşturan bu sistemin temel uyarımı, herhangi bir şeye karşılık gelir ve temel durum ile uyarılmış durum arasında, yerel rahatsızlıklara karşı bağışık olabilen bir enerji boşluğu vardır.
Bununla birlikte, bir ızgara oluşturmak için rastgele birkaç spin 1/2 parçacık bulmamız değil. Çünkü sadece bu parçacıklar arasındaki etkileşimlere ihtiyacımız yok, aynı zamanda bu etkileşimlerin Kitaev modelinde açıklananlar olmasını sağlamalıyız. Deneysel bilim adamları bazı yöntemler denediler, ancak hiçbiri Kitaev modelinin topolojik durumunun gerektirdiği etkileşimleri karşılamadı.
Kitaev modelinde, parçacıklar arasındaki etkileşimin dört cisim etkileşimi olması gerekir, ancak zorluk, normal şartlar altında dört cisim etkileşiminin, iki cisim etkileşimine kıyasla küçük bir miktar gibi dördüncü dereceden küçük bir miktar olmasıdır. Cüce, doğrudan görmek çok zor. Nasıl yapılır? Sadece iki beden arasında etkileşime giren büyük adam uzaklaştırılabilir, böylece burada görünmesin, bu şekilde sadece dört beden net bir şekilde etkileşime girer.
Son zamanlarda, bu soruna yanıt olarak, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nin Pan Jianwei araştırma ekibi bize iyi haberler getirdi. Ekibin bilim adamları yeni bir kontrol platformu inşa ettiler ve ultra soğuk atomları mükemmel bir şekilde yakalamak ve manipüle etmek için yapay kuantum kristalleri inşa ettiler. Atomlar iki boyutlu bir optik kafese yerleştirilir. Optik kafesin polarizasyon potansiyeli, kafes içindeki iki cisim arasındaki dev etkileşimi engelleyen etkili bir manyetik alan gradyanı oluşturmak için özel olarak tasarlanmıştır. Şu anda cüce Dört beden etkileşimi, Kitaev modelinde gerektiği gibi bu sistemin ana etkileşimi haline gelir. Sonunda, bilim adamları optik kafeste yaklaşık 800 ultra soğuk atomu başarıyla manipüle ettiler ve aynı zamanda yaklaşık 200 dört atomlu spin dolaşık durum grubu ürettiler.
Optik kafeste atomik spin dolanması
Öyleyse, böyle bir etkileşim altında, kafesteki aşırı soğuk atomların ne tür dinamik davranışları olacaktır? Bilim adamları, yüksek çözünürlüklü yerinde ışık absorpsiyonlu görüntüleme teknolojisinin yardımıyla, dört cisim halka değişim etkileşimini ilk kez gözlemlediler ve teorik tahmindeki bir uyarımın enerji boşluğu ile iyi bir uyum içindedir, bu da açıkça göstermektedir ki, dört cisim etkileşimi Rolün baskın olduğu bir durum.
Ayrıca bu dört atomlu sistem anyonları heyecanlandırdığı için bilim adamları, dört atomu kukla hatlara dönüştürerek atomik spinleri mikrodalgalar ile ters çevirme yöntemiyle anyonlar arasındaki dokuma değişim sürecini gerçekleştirdiler. Sonuç ayrıca, bir kez değiştiğinde, 1/2 değerinde bir topolojik faz üreteceğini açıkça gösteriyor O zamandan beri, Kitaev modeli ilk kez teoriden gerçeğe değişti.
Tabii ki, bu küçük dört atomlu kafes, herhangi bir uyarım için sadece temel birimdir.Bu temel birimin uygulanabilirliğini doğruladıktan sonra, bilim adamları bu küçük birimleri daha büyük bir sisteme bağlamanın yollarını bulacaklar. Ama her durumda, dört ultra soğuk atomdan oluşan bu küçük birimin gerçekleştirilmesi, topolojik kuantum hesaplamada önemli bir adımdır.Kuantum hesaplamanın ve kuantum simülasyonunun topolojik aşaması artık bir kağıt parçası değildir.Bilim adamları, bu yönde gideceklerinden eminler. Dahası, nihai gerçekleşene kadar.
