Quantencomputer haben "Anyons" geflochten, lang ersehnte Quasiteilchen mit Gedächtnis.

Anyonen, jemand?

Wissenschaftler haben seltsame neue teilchenartige Objekte geschaffen, genannt nicht-abelsche Anyonen. Diese lang gesuchten Quasiteilchen können "geflochten" werden, was bedeutet, dass sie bewegt werden können, während eine Erinnerung an den Austausch erhalten bleibt, ähnlich wie bei einem geflochtenem Pferdeschwanz, der eine Aufzeichnung über die Reihenfolge behält, in der die Strähnen sich überkreuzen.

Zwei unabhängige Teams - eines von Forschern bei Google und das andere von Forschern bei dem auf Quantencomputer spezialisierten Unternehmen Quantinuum - berichten, dass sie Versionen dieser Anyonen auf Quantencomputern erschaffen und geflochten haben. Die Ergebnisse von Google und Quantinuum wurden am 11. Mai in Nature bzw. am 9. Mai auf arXiv.org veröffentlicht und könnten Wissenschaftlern dabei helfen, fehlerresistente Quantencomputer zu bauen, die derzeit von Fehlern geplagt sind.

Nicht-abelsche Anyonen widersprechen der intuitiven Vorstellung darüber, was mit Objekten passiert, die ihre Position tauschen. Stellen Sie sich das Straßenspiel mit Tassen und Bällen vor, bei dem ein Darsteller identische Tassen hin und her tauscht. Wenn Sie nicht genau hinschauen, können Sie nicht sehen, ob zwei Tassen um einander herum bewegt und zurück zu ihren ursprünglichen Positionen gebracht wurden. In der Quantenwelt ist das nicht immer der Fall.

"Es wird vorausgesagt, dass es dieses verrückte Teilchen gibt, bei dem Sie, wenn Sie es um einander herum tauschen und die Augen geschlossen halten, es nachträglich feststellen können", sagt der Physiker Trond Andersen von Google Quantum AI in Santa Barbara, Kalifornien. "Das widerspricht unserem gesunden Menschenverstand und es scheint verrückt."

Teilchen in unserer dreidimensionalen Welt können keinen Zauberkunststücke ausführen. Aber wenn Teilchen auf nur zwei Dimensionen beschränkt sind, ändern sich die Regeln. Wissenschaftler haben zwar nicht ein 2-D-Universum, in dem sie Teilchen erforschen können, aber sie können Materialien oder Quantencomputer manipulieren, um ein Verhalten wie das von Teilchen zu erzeugen, die in zwei Dimensionen leben, und Gegenstände namens Quasiteilchen herzustellen.

Alle grundlegenden subatomaren Teilchen fallen in zwei Klassen, je nachdem, wie sich identische Partikel jedes Typs beim Austausch verhalten. Sie sind entweder Fermionen, eine Klasse, zu der Elektronen und andere Teilchen gehören, die Materie ausmachen, oder Bosonen, die Partikel des Lichts wie Photonen enthalten.

Aber in zwei Dimensionen gibt es eine weitere Möglichkeit: Anyonen. Für Bosonen oder Fermionen kann der Austausch identischer Partikel hin und her oder das Bewegen um einander keine direkt messbare Wirkung haben. Für Anyonen jedoch schon.

In den 1990er Jahren erkannten Wissenschaftler, dass eine bestimmte Version eines Anyons, genannt ein nicht-abelsches Anyon, verwendet werden könnte, um Quantencomputer zu bauen, die empfindliche Quanteninformationen schützen könnten, die durch winzige Störungen leicht aus dem Gleichgewicht gebracht werden können.

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"Aus fundamentalen Gründen sind diese Anyonen sehr aufregend und aus praktischen Gründen hoffen Menschen, dass sie nützlich sein könnten", sagt der theoretische Physiker Maissam Barkeshli von der University of Maryland in College Park, der an keiner der Studien beteiligt war.

Googles Team schuf die Anyonen mithilfe eines supraleitenden Quantencomputers, bei dem die Quantenbits oder Qubits aus Material bestehen, das Strom ohne Widerstand leitet. Die Studie von Quantinuum, die noch nicht begutachtet worden ist, basiert auf einem Quantencomputer, dessen Qubits aus gefangenen, elektrisch geladenen Atomen von Ytterbium und Barium bestehen. In beiden Fällen manipulierten Wissenschaftler die Qubits so, dass sie die Anyonen erzeugen und bewegen konnten und nach dem Flechten eine messbare Veränderung feststellten.

Wissenschaftler haben zuvor eine weniger exotische Art von Anyon, genannt ein abelsches Anyon, in einer 2-D-Schicht eines Festkörpers erschaffen und geflochten (SN: 7/9/20). Und viele Physiker sind ebenfalls auf der Suche nach einem festen Material, das den nicht-abelschen Typ aufnehmen könnte.

Aber die neuen Studien schaffen nicht-abelsche Zustände innerhalb von Qubits in einem Quantencomputer, was laut Barkeshli grundlegend anders ist. "Sie schaffen den Zustand synthetisch für einen flüchtigen Moment." Das bedeutet, dass es nicht alle Eigenschaften hat, die Anyonen innerhalb eines Festkörpers haben würden, sagt er.

In beiden Fällen muss noch viel Arbeit geleistet werden, bevor die Anyonen leistungsstarke, fehlerresistente Quantencomputer schaffen können. Insbesondere erzeugt Googles Studie eine Art von Anyon, die einem Fisch an Land ähnelt. Es ist ein nicht-abelsches Anyon innerhalb eines gängigeren abelschen Frameworks. Das bedeutet, dass diese Anyonen möglicherweise nicht so leistungsstark für die Quantenberechnung sind, sagt Barkeshli.

Es geht nicht nur um praktische Nützlichkeit. Der Nachweis, dass nicht-abelsche Anyonen tatsächlich existieren, ist nach Ansicht von Henrik Dreyer, einem Physiker in München bei Quantinuum, von grundlegender Bedeutung. Es "bestätigt, dass die Regeln der Quantenmechanik in der Art und Weise gelten, wie wir dachten, dass sie gelten würden".