Ученые впервые зафиксировали поведение анионов — квазичастиц, которые не относятся ни к фермионам, ни к бозонам — в одномерной квантовой системе. Это открытие может стать основой для новых технологий в области квантовых вычислений.
Элементарные частицы делятся на две основные группы: фермионы и бозоны. К первым относятся, например, электроны и кварки — строительные блоки материи, а ко вторым — переносчики взаимодействий, фотоны и глюоны. Различие между ними заключается в квантовой статистике: при обмене двумя фермионами волновая функция системы меняет знак, а при обмене бозонами — остается неизменной. Это фундаментальное свойство лежит в основе сверхпроводимости и многих других явлений в физике конденсированного состояния.
Но в двумерных средах появляется третий класс квазичастиц — анионы, которые проявляют промежуточные между фермионами и бозонами свойства. При обмене двумя анионами волновая функция системы изменяется на произвольную фазу между нулем и π. До недавнего времени анионы наблюдались только в двумерных системах, но в одномерных их существование предполагалось лишь теоретически.
Теперь, благодаря сотрудничеству экспериментальной группы под руководством Хансса-Кристофа Негерля в Университете Инсбрука с теоретиками Михаилом Звонаревым из Университета Париж-Сакле и группой Натана Голдмана из Свободного университета Брюсселя, а также специалистами Коллеж де Франс, удалось зафиксировать анионоподобное поведение в одномерной ультрахолодной газовой системе. Ученые ввели подвижную примесь в сильно взаимодействующий бозонный газ и с высокой точностью проанализировали распределение ее импульсов. Оказалось, что присутствие этой примеси провоцирует появление в системе анионных свойств.
Предложенный учеными подход может преодолеть ограничения современных квантовых процессоров, сделав вычисления более стабильными и масштабируемыми.
Предложенный учеными подход может преодолеть ограничения современных квантовых процессоров, сделав вычисления более стабильными и масштабируемыми.
«Мы можем непрерывно настраивать статистическую фазу, позволяя системе переходить от бозонного к фермионному поведению», — объясняет соавтор работы Судипта Дхар. По словам теоретика Ботао Вана, моделирование, выполненное на основе полученных данных, точно воспроизводит экспериментальные результаты. Это говорит о том, что созданный учеными подход может стать универсальным инструментом для дальнейших исследований.
Простота и элегантность предложенного эксперимента открывают широкие возможности для изучения экзотических квантовых состояний в управляемых условиях. Это особенно важно для топологических квантовых вычислений — подхода, который основан на использовании особых свойств анионов, способных сохранять информацию в устойчивых квантовых состояниях. Такой подход может преодолеть ограничения современных квантовых процессоров, сделав вычисления более стабильными и масштабируемыми.
Работа международной команды ученых помогает нам глубже понять законы квантовой материи и приближает нас к практическому использованию экзотических квазичастиц в будущем.
Оценили 13 человек
27 кармы