@ 2018.06.26 , 11:00

时间晶体和马约拉纳粒子携手跨入拓扑量子计算机

时间晶体和被称为马约拉纳费米子的准粒子这两年来多次成为头条新闻,主要是因为它们确实是很奇怪的玩意。现在,它们两个携起手来,搞起了联合绯闻。有位物理学家打算利用它们神奇的物理特性来研制更强大的量子拓扑计算机,新型量子计算机不仅比现在的任何产品更为可靠,而且重量也更轻。

时间晶体和马约拉纳粒子,在同样看起来就极其高端酷炫,不明觉厉的量子拓扑概念下结成完美姻缘。迷人理论的结合是由新加坡国立大学的物理学家提出的,他们意识到它们之间的相似之处,可以被应用在在所谓的拓扑量子计算机中。

为了尽最大努力避免大家“每个字都懂”的阅读体验,我们将这些概念分开来,逐一做个简单介绍。

首先,时间晶体与常规的旧晶体相似,因为它们都基于重复的单元。只不过要把时间晶体放到四维时空中,才能清晰地看到它的晶格结构。因为构成它的粒子,处于永恒的周期性运动之中。

尽管如此,物理学家还是想出了方法,利用宛如魔法般的手段,将信息存储到时间晶体之中。

然后,理论物理学家Ettore Majorana在1937年预言了一种与自身互为反粒子的不带电的纯中性粒。具体而言,它们是一种费米子——自旋为半奇数的粒子,服从费米-狄拉克统计。对于我们大多数人来说,知道它们是构成原子的笨重材料就行了。

尽管过了将近一个世纪,但我们仍未能在自然界发现这种正反合一的粒子。但我们拿到了二等奖,在实验室制造出了它的模拟物——一群电子在特定磁场下,产生一种等效于马约拉纳粒子的东西。

这种准费米子能够以相当独特的扭曲方式移动。它的“编织式”运动使其成为量子计算机拓扑版本的理想选择。

普通量子计算机依赖于一个粒子的不确定状态(例如它的自旋),拓扑量子计算机使用那些扭曲的辫子。

“粗略地说,编织是指交换两个粒子的位置”,物理学家龚江滨说,“我们现实生活中有不同类型的辫子,而将一种辫子的样式转换为另一种辫子需要某些自然界中不存在的操作。”

时间晶体和马约拉纳粒子携手跨入拓扑量子计算机

辫子不像其他量子态那样脆弱,使它们成为量子计算的基础。

让准费米子充当时间晶体的某个格点粒子,就会产生奇妙的反应。

研究人员模拟了粒子晶格的行为,操纵这些特殊的粒子使得它们像编织一样起作用,从而为通用量子计算机提供操作基础。

“编织时间晶体对于量子计算有潜在的益处,因为我们利用它们的时域特征,获得更多的编码信息量子位。” 龚说。

更多的量子位等于更少的硬件,加上更不容易出错的过程,时间晶体版的拓扑量子计算机看起来非常诱人。

研究人员下一步将探索提高运算效率的方式,将辫子移动到一系列电线中以创建更复杂的图案。

我们希望它们是成果丰硕的联姻。

这项研究发表在《物理评论快报》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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