Teorik yöntem, potansiyel kuantum hesaplama yapı taşları olan herhangi bir şeyin yerini tespit etmek için ışığı kullanır

Emory Üniversitesi’ndeki teorik fizikçiler, birçok elektronun kolektif davranışından ortaya çıkan egzotik yarı parçacıklar olan herhangi bir şeyin “spektral parmak izlerini” tespit etmek için ışığı kullanmanın bir yolunu keşfettiler. Bulguları şu adreste yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektupları. Çalışma, kuantum hesaplamanın temel yapı taşları olma potansiyeline sahip olan anyonların incelenmesi için yeni bir araç sunuyor.

Emory Üniversitesi fizik profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Luiz Santos, “Belirli bir ışık frekansı kullanarak, bir malzemedeki herhangi bir şeyin yerini tespit edebilen bir sensör geliştirdik” diyor.

Makalenin ilk yazarı ve Emory Ph.D. Tianhong Lu, “Rüyadaki hedef, topolojik kuantum hesaplamasını gerçekleştirmek için herkesi manipüle etme yeteneğidir” diyor. fizik adayı. “Teorik çalışmalarımız bu yönde bir adım daha atıyor.”

‘Her şey yolunda’ davranışı

Neredeyse 100 yıl boyunca, ister Dünya’da ister bir sonraki galakside olsun, evrendeki her elektrik yükünün aynı büyüklükte yüke sahip olduğuna inanılıyordu: Örneğin, protonlar tam pozitif elektrik yüküne sahipken, elektronlar tam negatif elektrik yüküne sahiptir.

Santos şöyle açıklıyor: “İnsanlar tüm yük uyarımlarının büyüklüğün katlarını taşıması gerektiğini düşünüyordu; başka bir deyişle yükler kesirli yüklere bölünemezdi.”

Ancak 1980’lerde bilim insanları, iki boyutlu sistemlerde elektron yüklerinin, parçacıkların standart kurallarına meydan okuyan yarı parçacıklara bölünebileceğini keşfettiler. Yeni keşfedilen bu fenomenlere “her şey yolunda” davranışları nedeniyle “herkes” adı verildi.

Emory fizik profesörü Santos, “İşlerin temel düzeyde nasıl çalıştığına tam anlamıyla ışık tutabildiğimizde, bu beni oldukça mutlu ediyor” diyor.

Herkes için en ilginç potansiyel uygulamalardan biri, kübitler veya kuantum hesaplama için gerekli olan bilgi bitleri oluşturmaktır.

Kuantum hesaplamanın geliştirilmesindeki en büyük zorluk, hava moleküllerinin hareketinden veya güneşten gelen radyasyondan kaynaklanan en ufak bozulmaların bile bu kadar küçük ölçekte hasara neden olmasıdır.

Santos, “Herkes kendini gizleyebilir ve birçok çevresel rahatsızlıktan rahatsız olmaktan kurtulabilir” diyor. “Bu onları tipik kuantum materyallerinden daha kararlı kılıyor.”

Bununla birlikte, topolojik kuantum hesaplaması (belirli bir anyon sınıfına dayanan bir sistem) teorik alanda kalır.

Herhangi birinin gücünü kontrol altına almanın yollarını bulmak için çalışmak zordur çünkü onlar temel, yalıtılmış parçacıklar olarak mevcut değildirler. Bunun yerine elektronların kolektif uyarımları olarak ortaya çıkıyorlar.

Bir kuantum dansı

Santos, “Bu kuantum koreografisi” diyor. “Elektronlar etrafta dans ediyor, bu da herhangi birini veya yükün bir kısmını taşıyan dalgalanmalar yaratıyor. Dalgaları suyun yüzeyindeki dalgalar gibi düşünebilirsiniz. Etrafta hareket eden su molekülleri yerine milyarlarca elektron birlikte hareket ediyor.”

Fizikçiler bu kuantum dansını laboratuvar koşullarında gözlemlediler. Ultra düşük bir sıcaklığa soğutulan iki boyutlu bir elektron gazına güçlü bir manyetik alan uygulanır. Bu, kesirli kuantum Hall etkisi olarak adlandırılan şeyi üretir; kesirli olarak yüklü uyarılmalara veya herhangi bir şeye sahip bir kuantum sıvısı.

Yaklaşık üç yıl önce araştırmacılar, bu etkiyi güçlü bir manyetik alan olmadan ve daha az ekstrem koşullar altında üretebileceklerini keşfettiler. Ancak anyonların yerini belirleme zorluğu devam etti.

Emory fizikçileri ışığın nasıl yardımcı olabileceğini gösterdi.

Emory Ph.D.’si Lu, “Fiziğin netliğini seviyorum” diyor. Akademik araştırmacı olarak kariyer yapmayı planlayan aday. “Fizik, şeyleri çok az parametreyle açıklamanın sistematik bir yoludur.”

Bir model hayal etmek

Bazı atomik olarak ince yarı iletken malzemelerde, elektronlar deliklerle veya kusurlarla eşleşerek eksitonlar (ışıkla güçlü bir şekilde etkileşime giren nötr yarı parçacıklar) oluşturabilir. Araştırmacılar, bir eksitonun bir anyon’a yeterince yaklaştığında ona bağlanarak yeni bir bileşik nesne oluşturacağını öngördü: bir eksiton-anyon durumu. Bu süreç de enerjide tespit edilebilir bir değişim yaymalıdır.

Zorluk, fizikçilerin önerdikleri sistemi bilgisayarda modellemenin potansiyel yollarını bulmasıyla tahtada başladı.

İlk fizik buluşlarının çoğu doğrudan gözleme dayanıyordu; bu durum, Isaac Newton’un kafasına düşen bir elmanın uydurma hikayesinin ortaya çıkmasına neden oldu ve ona kütleçekim teorisini geliştirmesi için ilham verdi.

Buna karşılık, günümüz fiziğinin büyük bir kısmı görünmez, dokunulmaz alemlerde meydana gelen süreçleri içerir.

Lu, “Başınıza bir elmanın çarptığını hissedebiliyorsunuz ama herhangi birinin hissedemediğini” söylüyor.

Fizik hakkında soyut düşünmenin mevcut makalenin en zor ve en ödüllendirici kısmı olduğunu ekliyor.

Lu, “Bağlanma enerjisi ve ilgili kuantum dolaşıklıklara ilişkin trendleri ortaya çıkarmak için niteliksel analizler yapmamız gerekiyordu” diyor.

Bir model bulduktan sonra bunun için bir simülasyon geliştirdiler ve son olarak sonuçları analiz ettiler.

Lu, “Fikirlerinizi bilgisayara girmek ve sonuçların tahmininize uyduğunu görmek ilginç” diyor.

Araştırmacılar, deneycilerin artık teorilerinin gerçek dünyada doğrulanmasını sağlayarak, topolojik kuantum hesaplamayı gerçeğe bir adım daha yaklaştırmaya yardımcı olmak için çalışmalarını geliştireceklerini umuyorlar.