Il nostro mondo fisico 3D è costituito solo da due tipi di particelle:i bosoni, che includono la luce e il famoso bosone di Higgs; e fermioni:i protoni, i neutroni e gli elettroni che compongono tutta la "roba", compresa l'attuale compagnia.
Tuttavia, i fisici teorici come Ashvin Vishwanath, professore di fisica George Vasmer Leverett di Harvard, non amano limitarsi solo al nostro mondo. In un ambiente 2D, ad esempio, diventerebbero possibili tutti i tipi di nuove particelle e stati della materia.
Il team di Vishwanath ha utilizzato una potente macchina chiamata processore quantistico per creare, per la prima volta, una nuova fase della materia chiamata ordine topologico non abeliano. Precedentemente riconosciuti solo in teoria, il team ha dimostrato la sintesi e il controllo di particelle esotiche chiamate anioni non abeliani, che non sono né bosoni né fermioni, ma qualcosa nel mezzo.
I loro risultati sono pubblicati su Nature in collaborazione con i ricercatori della società di informatica quantistica Quantinuum. Il team di Vishwanath comprendeva Nat Tantivasadakarn '22, ex studente della Harvard Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences, ora al Caltech, e il ricercatore post-dottorato Ruben Verresen.
Gli anioni non abeliani, noti ai fisici come quasi-particelle, sono matematicamente possibili solo in un piano 2D. L'aggettivo "quasi" si riferisce al fatto che non sono esattamente particelle, ma piuttosto eccitazioni di lunga durata attraverso una specifica fase della materia - si pensi alle onde dell'oceano - e hanno speciali capacità di trasportare memoria.
Oltre al fatto che la creazione di una nuova fase della materia è entusiasmante per la fisica fondamentale, gli anioni non abeliani sono stati ampiamente riconosciuti come una potenziale piattaforma per l'informatica quantistica, il che conferisce ai risultati della ricerca un significato ancora maggiore.
Gli anioni non abeliani sono intrinsecamente stabili, a differenza dei bit quantistici, o qubit, fragili e soggetti a errori, su altre piattaforme di calcolo quantistico. Possono "ricordare" il loro passato mentre si muovono l'uno attorno all'altro, come un mago che mescola tazze con palline nascoste. Questa proprietà è anche ciò che li rende topologici, ovvero in grado di essere piegati e attorcigliati senza perdere la loro identità fondamentale.
Per tutti questi motivi, gli anioni non abeliani potrebbero un giorno creare qubit ideali, unità di potenza computazionale che si estendono ben oltre i computer classici di oggi, se potranno essere creati e controllati su scala più ampia.
"Un percorso molto promettente verso un calcolo quantistico stabile è quello di utilizzare questi tipi di stati esotici della materia come bit quantistici effettivi e di eseguire calcoli quantistici con essi", ha affermato Tantivasadakarn. "Allora avete mitigato in larga misura i problemi legati al rumore."
I ricercatori hanno impiegato una certa creatività ostinata per realizzare il loro stato di materia esotica. Per massimizzare le capacità del nuovissimo processore H2 di Quantinuum, il team ha iniziato con un reticolo di 27 ioni intrappolati. Hanno utilizzato misurazioni parziali e mirate per aumentare in sequenza la complessità del loro sistema quantistico, ottenendo di fatto una funzione d'onda quantistica ingegnerizzata con le esatte proprietà e caratteristiche delle particelle che stavano cercando.
"La misurazione è l'aspetto più misterioso della meccanica quantistica, che porta a famosi paradossi come il gatto di Schrödinger e a numerosi dibattiti filosofici", ha detto Vishwanath. "Qui abbiamo utilizzato le misurazioni come strumento per scolpire lo stato quantistico di interesse."
Come teorico, Vishwanath apprezza la capacità di rimbalzare tra diverse idee e applicazioni della fisica senza essere vincolato a una piattaforma o tecnologia. Ma nel contesto di questo lavoro, si meraviglia di riuscire non solo a esplorare una teoria, ma anche a dimostrarla, in particolare ora che il campo della meccanica quantistica entra nel suo centesimo anno.
"Almeno per me, è stato semplicemente sorprendente che tutto funzioni e che possiamo fare qualcosa di molto concreto", ha detto Vishwanath. "Collega davvero molti aspetti diversi della fisica nel corso degli anni, dalla meccanica quantistica fondamentale alle idee più recenti su questi nuovi tipi di particelle."
Ulteriori informazioni: Mohsin Iqbal et al, Ordine topologico non abeliano e anioni su un processore di ioni intrappolati, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06934-4
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Harvard Gazette
Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie sull'università, visita Harvard.edu.
