Onze fysieke, 3D-wereld bestaat uit slechts twee soorten deeltjes:bosonen, waaronder licht, en het beroemde Higgs-deeltje; en fermionen – de protonen, neutronen en elektronen waaruit al het ‘materiaal’ bestaat, inclusief het huidige gezelschap.

Theoretische natuurkundigen zoals Ashvin Vishwanath, George Vasmer Leverett hoogleraar natuurkunde aan Harvard, beperken zich echter niet graag tot alleen onze wereld. In een 2D-setting zouden bijvoorbeeld allerlei nieuwe deeltjes en toestanden van materie mogelijk worden.

Het team van Vishwanath gebruikte een krachtige machine, een kwantumprocessor genaamd, om voor het eerst een geheel nieuwe fase van de materie te creëren, de niet-Abelse topologische orde. Het team, dat voorheen alleen in theorie werd erkend, demonstreerde de synthese en controle van exotische deeltjes die niet-Abelse anyonen worden genoemd en die geen bosonen of fermionen zijn, maar iets daar tussenin.

Hun resultaten worden gepubliceerd in Nature in samenwerking met onderzoekers van het quantumcomputerbedrijf Quantinuum. Het team van Vishwanath bestond uit de voormalige Harvard Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences-student Nat Tantivasadakarn '22, nu bij Caltech, en postdoctoraal collega Ruben Verresen.

Niet-Abelse anyons, bij natuurkundigen bekend als quasideeltjes, zijn wiskundig alleen mogelijk in een 2D-vlak. De kwalificatie 'quasi' verwijst naar het feit dat het niet bepaald deeltjes zijn, maar eerder langlevende excitaties door een specifieke fase van de materie (denk aan oceaangolven) en dat ze speciale geheugendragende eigenschappen hebben.

Naast het feit dat het creëren van een nieuwe fase van de materie opwindende fundamentele natuurkunde is, worden niet-Abelse 'anyons' algemeen erkend als een potentieel platform voor kwantumcomputers, wat de onderzoeksresultaten nog belangrijker maakt.

Niet-Abelse 'anyons' zijn inherent stabiel, in tegenstelling tot de zwakke en foutgevoelige kwantumbits, of qubits, op andere kwantumcomputerplatforms. Ze kunnen zich hun verleden ‘herinneren’ terwijl ze om elkaar heen bewegen – als een tovenaar die kopjes met verborgen ballen schuifelt. Deze eigenschap maakt ze ook topologisch, oftewel in staat om gebogen en gedraaid te worden zonder hun kernidentiteit te verliezen.

Om al deze redenen zouden niet-Abelse mensen ooit ideale qubits kunnen maken – eenheden van rekenkracht die veel verder reiken dan de klassieke computers van vandaag – als ze op grotere schaal kunnen worden gemaakt en bestuurd.

"Een veelbelovende route naar stabiele kwantumcomputers is om dit soort exotische toestanden van materie te gebruiken als de effectieve kwantumbits en er kwantumberekeningen mee uit te voeren", aldus Tantivasadakarn. "Dan heb je de problemen met geluidsoverlast grotendeels verholpen."

De onderzoekers gebruikten een hardnekkige creativiteit om hun exotische materietoestand te realiseren. Door de mogelijkheden van de nieuwste H2-processor van Quantinuum optimaal te benutten, begon het team met een rooster van 27 gevangen ionen. Ze gebruikten gedeeltelijke, gerichte metingen om de complexiteit van hun kwantumsysteem sequentieel te vergroten, waardoor ze uiteindelijk een ontwikkelde kwantumgolffunctie kregen met de exacte eigenschappen en karakteristieken van de deeltjes waarnaar ze op zoek waren.

"Meten is het meest mysterieuze aspect van de kwantummechanica en leidt tot beroemde paradoxen zoals de kat van Schrödinger en talloze filosofische debatten", zei Vishwanath. "Hier hebben we metingen gebruikt als hulpmiddel om de kwantumtoestand van interesse vorm te geven."

Als theoreticus koestert Vishwanath het vermogen om te wisselen tussen verschillende ideeën en toepassingen van de natuurkunde, zonder gebonden te zijn aan één platform of technologie. Maar in de context van dit werk verbaast het hem dat hij niet alleen een theorie kan onderzoeken, maar deze ook daadwerkelijk kan aantonen, vooral nu het vakgebied van de kwantummechanica zijn 100ste jaar ingaat.

"Voor mij was het in ieder geval gewoon verbazingwekkend dat het allemaal werkt en dat we iets heel concreets kunnen doen," zei Vishwanath. "Het verbindt door de jaren heen veel verschillende aspecten van de natuurkunde, van fundamentele kwantummechanica tot recentere ideeën over dit nieuwe soort deeltjes."

Meer informatie: Mohsin Iqbal et al, Niet-Abelse topologische orde en iedereen over een processor met gevangen ionen, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06934-4

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Harvard Gazette

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, de officiële krant van Harvard University. Ga voor meer universitair nieuws naar Harvard.edu.