Знакомьтесь, неглектоны: «ненужные» частицы произвели революцию в квантовых вычислениях
Квантовые биты, или кубиты, могут находиться в состоянии суперпозиции — одновременно быть «нулем» и «единицей». Однако любое взаимодействие с внешней средой легко разрушает это хрупкое состояние, делая вычисления нестабильными. Именно поэтому создание полноценных квантовых машин остается одной из самых сложных задач современной науки.
Группа американских математиков предложила неожиданное решение этой проблемы. Для этого ученые обратились к особым квазичастицам — так называемым анионам Изинга, которые существуют только в двумерных системах и считаются перспективным фундаментом для топологической квантовой вычислительной техники. В отличие от обычных частиц, они хранят информацию не в себе, а в траектории своего движения и взаимодействия друг с другом. Переплетения их траекторий позволяют кодировать и обрабатывать информацию способами, гораздо более устойчивыми к влиянию окружающей среды.
Чем необычны анионы Изинга? В трехмерном мире траектории частиц можно «развязать». В двумерной плоскости сделать этого нельзя — пути оказываются переплетены навсегда, что рождает совершенно новые законы физики. Именно это свойство позволяет использовать такие частицы для устойчивого хранения и обработки информации. Единственная проблема с анионами Изинга заключается в том, что они не универсальны.
И здесь на помощь пришла математика. Ученые вновь рассмотрели теории, которые раньше считались бесперспективными, — так называемые не-полупростые топологические квантовые теории поля. Они изучают симметрии и позволяют предсказывать новые частицы, которые никто прежде не наблюдал. В этих теориях у каждой частицы есть «квантовая размерность», число, показывающее ее «вес» в системе. Обычно частицы, у кого размерность равна нулю, просто отбрасываются как лишние.
Команда пошла дальше и предложила по-новому оценивать такие частицы. В результате «ненужные» объекты удалось интерпретировать как новые частицы, которые получили название «неглектоны». Оказалось, что если добавить хотя бы один такой элемент к системе анионов Изинга, то она становится способной к универсальным квантовым вычислениям — и все это только за счет переплетения своих траекторий.
Работа не означает, что завтра мы получим готовые топологические квантовые компьютеры. Но она показывает, что решение может лежать не в поиске экзотических частиц или создании сверхсложных материалов, а в новом взгляде на уже известные структуры.
Открытие дает надежду, что дальнейшее развитие квантовых технологий пойдет быстрее, чем ожидалось. Вместо тупиковых поисков «магических состояний» или новых материалов, достаточно научиться использовать то, что долго считалось ненужным и отбрасывалось. В этом и заключается сила математики: иногда именно она позволяет увидеть новые возможности там, где физика пока разводит руками.
