Энионы Изинга

Когда математики возродили игнорируемые ранее математические структуры, они обнаружили, что упущенные из виду частицы, названные «неглектонами», могут стать недостающим элементом головоломки квантовых вычислений. Математики нашли способ преобразовать малопродуктивный подход к квантовым вычислениям, вернув к жизни класс ранее отвергнутых частиц.

Квантовые компьютеры способны решать задачи, недоступные классическим компьютерам, используя такие принципы, как суперпозиция (способность частицы одновременно находиться в нескольких состояниях). Это означает, что квантовый бит, или кубит (базовая единица квантовой информации), может одновременно представлять и 0, и 1 — подобно знаменитому мысленному эксперименту с котом, который одновременно и жив, и мёртв.

Но кубиты чрезвычайно хрупки. Взаимодействие с окружающей средой может легко нарушить их квантовые состояния, что затрудняет создание стабильных квантовых компьютеров.

Теперь в новом исследовании, математики показали, что в паре с математическими элементами, ранее отброшенными как нерелевантные, квазичастицы (возбуждения в системе, ведущие себя как частицы), называемые энионами Изинга, могут помочь преодолеть эту хрупкость. Возрождённые компоненты они назвали «неглектонами». Энионы Изинга существуют только в двумерных системах. Они лежат в основе топологических квантовых вычислений. Это означает, что энионы хранят информацию не в самих частицах, а в том, как они обвиваются или «заплетаются» друг вокруг друга.

Такое «заплетание» (braiding) может кодировать и обрабатывать информацию способами, которые гораздо более устойчивы к внешнему шуму. Но у этого подхода было серьёзное ограничение. Единственная проблема с энионами Изинга заключается в том, что они не универсальны. Это, как если бы у вас была клавиатура только с половиной клавиш. Именно здесь на помощь приходит упущенная из виду математика. Команда учёных пересмотрела класс теорий, называемых «неполупростой топологической квантовой теорией поля», которая используется для изучения симметрии в математических объектах. Это ключевая идея в физике элементарных частиц.

Вы можете предсказывать новые, неизвестные частицы, просто понимая симметрию происходящего. В этой теории каждая частица имеет квантовую размерность (число, отражающее её вес или влияние в системе). Если это число равно нулю, частицу обычно отбрасывают. Ключевая идея этих новых неполупростых версий заключается в том, что вы сохраняете те частицы, которые изначально имели нулевой вес. И вы придумываете новый способ измерения этого веса. Есть определённые свойства, которым он должен удовлетворять, и вы ищете способ сделать это число отличным от нуля.

«Забытые» части, переосмысленные как частицы, восполнили недостающие возможности энионов Изинга. Команда исследователей показала, что с добавлением в систему всего одного неглектона частица становится способной к универсальным вычислениям только за счёт «заплетания». Чтобы понять, почему энионы вообще важны, полезно разобраться в их своеобразном поведении в двух измерениях. В трёх измерениях частицы, как бозоны и фермионы (два основных класса частиц), могут обвиваться друг вокруг друга. Но эти петли можно распутать, как если бы одна верёвка прошла над или под другой.

В двух измерениях, напротив, нет понятий «над» или «под». Это означает, когда энионы движутся друг вокруг друга, их пути нельзя распутать, что порождает принципиально новую физику.

Думать об этом можно так. Если я начинаю с состояния ноль и обвиваю его, останется ли оно в состоянии ноль или в каком-то кратном ему состоянии? Или оно создаст и ноль, и единицу? Смогу ли я смешать их и создать те суперпозиции, которые необходимы для выполнения квантовых вычислений? Ключевым свойством энионов Изинга является способность создавать суперпозиции.

Поскольку эти операции зависят от общей формы пути «заплетания», а не от точного местоположения, они естественным образом защищены от многих видов шума. Это открытие не означает, что топологические квантовые компьютеры появятся уже завтра. Но оно предполагает, что вместо изобретения совершенно новых материалов или экзотических частиц исследователям, возможно, просто нужно взглянуть на знакомые системы через новую математическую призму.

Источник: dzen.ru

Источник: ai-news.ru