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Uma nova fase da matéria anteriormente reconhecida apenas na teoria foi criada por pesquisadores usando um quanto processadorque demonstra o controle de uma forma exótica de partículas chamadas anyons não-abelianos.
Nem férmions nem bósons, esses anyons exóticos ficam em algum lugar intermediário e acredita-se que só sejam capazes de existir em sistemas bidimensionais. Controlá-los permitiu a criação de uma fase inteiramente nova da matéria que os pesquisadores agora chamam de ordem topológica não-abeliana.
O Mundo dos Anyons Não-Abelianos
No nosso mundo cotidiano de três dimensões, existem apenas dois tipos de partículas: bósons e férmions. Os bósons incluem a luz, bem como a partícula subatômica conhecida como bóson de Higgs, enquanto os férmions compreendem prótons, nêutrons e elétrons que constituem a matéria em todo o nosso universo.
Anyons não-abelianos são identificados como quasipartículas, o que significa que são manifestações de excitação semelhantes a partículas que persistem por períodos dentro de um estado específico da matéria. Eles são de particular interesse pela sua capacidade de armazenar memória, que pode ter uma variedade de aplicações tecnológicas, particularmente na computação quântica.
Uma das razões para isso é a estabilidade que anyons não-Abelianos possuem quando comparados aos qubits, que são atualmente usados em plataformas de computação quântica. Ao contrário dos qubits, que por vezes podem ser pouco fiáveis, os anyons não-Abelianos podem armazenar informações à medida que se movem uns pelos outros sem a influência do seu ambiente, tornando-os alvos ideais para utilização em sistemas computacionais, uma vez que podem ser aproveitados em escalas maiores.
Em uma pesquisa recente, Ashvin Vishwanath, professor de física George Vasmer Leverett na Universidade de Harvard, usou um processador quântico para testar como anyons não-abelianos poderiam ser aproveitados para realizar computação quântica.
“Um caminho muito promissor para a computação quântica estável é usar esses tipos de estados exóticos da matéria como bits quânticos efetivos e fazer computação quântica com eles”, disse Nat Tantivasadakarn, ex-aluno de Harvard agora na Caltech, que participou da pesquisa. .
Descobrindo uma nova fase da matéria
Para alcançar este estado único e exótico da matéria, a equipa concebeu uma experiência que, em princípio, era simples: decidiram ampliar as capacidades do O mais novo processador H2 da Quantinuum aos seus limites.
Começando com 27 íons aprisionados, a equipe empregou uma série de medições parciais projetadas para seguir uma sequência em que sua complexidade aumentasse dentro do sistema quântico, o que resultaria em uma função de onda quântica possuindo as características das partículas específicas que eles esperavam gerar.
Vishwanath comparou seus esforços a esculpir um estado específico por meio do processo de medição, um componente do processo de pesquisa que levou os físicos no passado a grandes – e às vezes desconcertantes – descobertas.
“A medição é o aspecto mais misterioso da mecânica quântica”, disse Vishwanath, “levando a paradoxos famosos como o gato de Schrödinger e a numerosos debates filosóficos”.
Empregando um circuito adaptativo no processador quântico de íons aprisionados H2 da Quantinuum, Vishwanath e sua equipe conseguiram levar o processador ao seu limite, permitindo-lhes criar e mover qualquer pessoa ao longo do que é conhecido como anéis borromeu, usados em matemática para descrever um trio. de curvas fechadas no espaço tridimensional que estão ligadas topologicamente e não podem ser separadas.
Sob tais condições, anyons não-abelianos tunelados em torno de um toro criaram todos os 22 estados fundamentais, “bem como um estado excitado com um único anyon – uma característica peculiar da ordem topológica não-abeliana”, escreve a equipe em um estudo recém-publicado.
“Este trabalho ilustra a natureza contra-intuitiva dos não-Abelions e permite o seu estudo em dispositivos quânticos”, concluem.
“Pelo menos para mim, foi incrível que tudo funcionasse e que pudéssemos fazer algo muito concreto”, disse Vishwanath recentemente ao Gazeta de Harvard.
“Ele realmente conecta muitos aspectos diferentes da física ao longo dos anos, desde a mecânica quântica fundamental até ideias mais recentes sobre esses novos tipos de partículas.”
Vishwanath, Tantivasadakarn e seu colega Ruben Verresen foram todos coautores do trabalho da equipe novo papel“Ordem topológica não-Abeliana e qualquer um em um processador de íons presos”, que apareceu na revista Natureza em 14 de fevereiro de 2024.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe seu trabalho em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
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