מחשב קוונטי טופולוגי
מחשב קוונטי טופולוגי הוא מימוש של מחשב קוונטי. הוא משתמש באניונים, סוג של קוואזי-חלקיק המופיע במערכות דו-ממדיות. קווי העולם של האניונים שזורים זה בזה ויוצרים צמות במרחב-זמן תלת-ממדי (ממד זמני אחד ושני ממד מרחבי). הצמות משמשות כהגדרה של הקיוביט עבור המחשב. היתרון העיקרי של שימוש בצמות קוונטיות על פני חלקיקים קוונטיים לכודים הוא ביציבותם. בעוד שהפרעות קטנות אך מצטברות יכולות לגרום למצבים קוונטיים להתפרק ולהכניס שגיאות בחישובים קוונטיים מסורתיים, הפרעות כאלה אינן משנות את התכונות הטופולוגיות של הצמות. יציבות זו דומה להבדל בין חיתוך וחיבור מחדש של חוט ליצירת צמה שונה לעומת כדור (המייצג חלקיק קוונטי רגיל במרחב-זמן) שמתנגש בקיר. הרעיון הוצעה על ידי הפיזיקאי הרוסי-אמריקאי אלכסיי קיטאייב בשנת 1997.[2]
בעוד שהאלמנטים של מחשב קוונטי טופולוגי מקורם בתחום מתמטי טהור, ניסויים במערכות הול קוונטיות חלקיות מצביעים על כך שייתכן שיסודות אלה נוצרו בעולם האמיתי באמצעות מוליכים למחצה העשויים גליום ארסניד בטמפרטורה נמוכה מאוד של כמעט אפס מוחלט וכפופים לשדות מגנטיים חזקים.
מבוא
אניונים הם קוואזי-חלקיקים במרחב דו-ממדי. אניונים אינם פרמיונים ואינם בוזונים, אך כמו פרמיונים, הם אינם יכולים להיות באותו מצב. לפיכך, קווי העולם של שני אניונים אינם יכולים להצטלב או להתמזג, מה שמאפשר לנתיבים שלהם ליצור צמות יציבות במרחב-זמן. אניונים יכולים להיווצר מעירורים בגז אלקטרונים דו-ממדי קר בשדה מגנטי חזק מאוד ולשאת יחידות חלקיות של שטף מגנטי. תופעה זו נקראת תופעת הול הקוונטי החלקי. במערכות מעבדה טיפוסיות, גז האלקטרונים תופס שכבה דקה מאוד של מוליכה למחצה, המותקנת בין שכבות של אלומיניום גליום ארסניד.[3][4]
כאשר אניונים קלועים, הטרנספורמציה של המצב הקוונטי של המערכת תלויה רק במחלקה הטופולוגית של מסלולי האניונים (אשר מסווגים לפי קבוצת הקליעה). לכן, המידע הקוונטי המאוחסן במצב המערכת אינו חף משגיאות קטנות במסלולים.[5] בשנת 2005, סנקר דאס סארמה, מייקל פרידמן וצ'טן נאיאק הציעו התקן הול קוונטי שיממש קיוביט טופולוגי. בשנת 2005, ולדימיר ג'. גולדמן, פרננדו א. קמינו ווי ג'ואו[6] טענו שיצרו וצפו בראיות הניסוייות הראשונות לשימוש באפקט הול קוונטי חלקי כדי ליצור אניונים אמיתיים, אם כי אחרים הציעו שתוצאותיהם עשויות להיות תוצר של תופעות שאינן כוללות אניונים. אניונים לא-אבליים, מין הנדרש למחשבים קוונטיים טופולוגיים, טרם אושרו בניסוי. נמצאו ראיות ניסיוניות אפשריות,[7] אך המסקנות נותרות שנויות במחלוקת.[8] בשנת 2018, מדענים טענו שוב שהפרידו את חלקיקי Majorana הנדרשים, אך הממצא בוטל בשנת 2021. "מגזין קוואנטה" הצהיר בשנת 2021 כי "אף אחד לא הצליח להוכיח בצורה חד משמעית את קיומו של אפילו קוואזי-חלקיק יחיד",[9] למרות שבשנת 2023 יצא מאמר חדש[10] של המגזין סיקר כמה פרסומים מוקדמים של גוגל[11] וקוונטינום[12] הטוענים למימוש של אניונים לא אבליים על מעבדים קוונטיים, הראשון השתמש בקוד toric עם פגמי עיקום כפגם טופולוגי בעוד שהשני השתמש בפרוטוקול שונה אך קשור, ששניהם ניתנים להבנתם כמצבים קשורים של Majorana בתיקון שגיאות קוונטיות.
הערות שוליים
- ↑ Hormozi, L. (2007). "Topological Quantum Compiling". PhD Thesis. Florida State University.
- ↑ Kitaev, Alexei (9 ביולי 1997). "Fault-tolerant quantum computation by anyons". Annals of Physics. 303 (1): 2–30. arXiv:quant-ph/9707021v1. Bibcode:2003AnPhy.303....2K. doi:10.1016/S0003-4916(02)00018-0.
{{cite journal}}: (עזרה) - ↑ Service, Purdue News. "New evidence that the quantum world is even stranger than we thought". www.purdue.edu (באנגלית). נבדק ב-2025-02-20.
- ↑ "A quantum leap to smaller chips: Semiconducting materials such as gallium arsenide are allowing physicists to create tiny devices tailored to work at the quantum level", New Scientist (באנגלית), נבדק ב-2025-02-20
- ↑ Castelvecchi, Davide (3 ביולי 2020). "Welcome anyons! Physicists find best evidence yet for long-sought 2D structures". Nature. 583 (7815): 176–177. Bibcode:2020Natur.583..176C. doi:10.1038/d41586-020-01988-0. PMID 32620884.
Simon and others have developed elaborate theories that use anyons as the platform for quantum computers. Pairs of the quasiparticle could encode information in their memory of how they have circled around one another. And because the fractional statistics is 'topological' — it depends on the number of times one anyon went around another, and not on slight changes to its path — it is unaffected by tiny perturbations. This robustness could make topological quantum computers easier to scale up than are current quantum-computing technologies, which are error-prone.
{{cite journal}}: (עזרה) - ↑ Camino, Fernando E.; Zhou, Wei; Goldman, Vladimir J. (6 בדצמבר 2005). "Aharonov–Bohm superperiod in a Laughlin quasiparticle interferometer". Phys. Rev. Lett. 95 (24): 246802. arXiv:cond-mat/0504341. Bibcode:2005PhRvL..95x6802C. doi:10.1103/PhysRevLett.95.246802. PMID 16384405.
{{cite journal}}: (עזרה) - ↑ Willet, R. L. (15 בינואר 2013). "Magnetic field-tuned Aharonov–Bohm oscillations and evidence for non-Abelian anyons at ν = 5/2". Physical Review Letters. 111 (18): 186401. arXiv:1301.2639. Bibcode:2013PhRvL.111r6401W. doi:10.1103/PhysRevLett.111.186401. PMID 24237543.
{{cite journal}}: (עזרה) - ↑ von Keyserling, Curt; Simon, S. H.; Bernd, Rosenow (2015). "Enhanced Bulk-Edge Coulomb Coupling in Fractional Fabry-Perot Interferometers". Physical Review Letters. 115 (12): 126807. arXiv:1411.4654. Bibcode:2015PhRvL.115l6807V. doi:10.1103/PhysRevLett.115.126807. PMID 26431008.
- ↑ Ball, Philip (29 בספטמבר 2021). "Major Quantum Computing Strategy Suffers Serious Setbacks". Quanta Magazine (באנגלית). נבדק ב-30 בספטמבר 2021.
{{cite news}}: (עזרה) - ↑ Wood, Charlie (9 במאי 2023). "Physicists Create Elusive Particles That Remember Their Pasts". Quanta Magazine.
{{cite web}}: (עזרה) - ↑ Andersen, Trond; et al. (9 באוקטובר 2023). "Observation of non-Abelian exchange statistics on a superconducting processor". Bulletin of the American Physical Society. arXiv:2210.10255.
{{cite journal}}: (עזרה) - ↑ Iqbal, Mohsin and more (2024). "Non-Abelian topological order and anyons on a trapped-ion processor". Nature. 626 (7999): 505–511. arXiv:2305.03766. Bibcode:2024Natur.626..505I. doi:10.1038/s41586-023-06934-4. PMID 38356069.
{{cite journal}}: יש לבדוק את|pmid=(עזרה)
מחשב קוונטי טופולוגי41364682Q7825042