비

May 16, 2024

Nature 618권, 264~269페이지(2023)이 기사 인용

23,000회 액세스

2 인용

485 알트메트릭

측정항목 세부정보

입자의 구별 불가능성은 양자역학의 기본 원리입니다1. 페르미온, 보존 및 아벨리안 애니온을 포함하여 현재까지 관찰된 모든 기본 및 준입자에 대해 이 원리는 동일한 입자의 꼬임이 시스템을 변경하지 않고 유지함을 보장합니다2,3. 그러나 두 가지 공간 차원에서는 흥미로운 가능성이 존재합니다. 비아벨리안 애니온의 편조는 위상적으로 퇴화된 파동함수4,5,6,7,8 공간에서 회전을 유발합니다. 따라서 구별 불가능성의 원칙을 위반하지 않고 시스템의 관찰 가능 항목을 변경할 수 있습니다. 비아벨리아 누구든지의 잘 발달된 수학적 설명과 수많은 이론적 제안에도 불구하고9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22, 그들의 교환 통계에 대한 실험적 관찰 수십 년 동안 파악하기 어려운 상태로 남아 있습니다. 양자 프로세서에서 생성된 제어 가능한 다체 양자 상태는 이러한 기본 현상을 탐색하기 위한 또 다른 경로를 제공합니다. 기존 고체 플랫폼에 대한 노력에는 일반적으로 준입자의 해밀턴 역학이 포함되는 반면, 초전도 양자 프로세서는 단일 게이트를 통해 다체 파동함수를 직접 조작할 수 있습니다. 안정화 코드가 투영적 비아벨리안 Ising anyons9,10을 호스팅할 수 있다는 예측을 바탕으로 일반화된 안정화 코드와 단일 프로토콜23을 구현하여 이를 생성하고 브레이드합니다. 이를 통해 우리는 애니온의 융합 규칙을 실험적으로 검증하고 이를 엮어 통계를 실현할 수 있습니다. 그런 다음 양자 계산에 애니온을 사용할 가능성을 연구하고 편조를 사용하여 세 개의 논리적 큐비트를 인코딩하는 애니온의 얽힌 상태를 만듭니다. 우리의 작업은 비Abelian 브레이딩에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 향후 오류 수정을 포함하여 토폴로지 보호를 달성함으로써 내결함성 양자 컴퓨팅을 향한 길을 열 수 있습니다.

3차원의 기본 입자는 보존 또는 페르미온입니다. 두 가지 유형만이 존재하는 것은 3차원과 1차원에 있는 두 입자의 세계선이 항상 사소한 방식으로 풀릴 수 있다는 사실에 뿌리를 두고 있습니다. 따라서 구별할 수 없는 한 쌍의 입자를 두 번 교환하는 것은 전혀 교환하지 않는 것과 위상학적으로 동일하며 파동함수는 동일하게 유지되어야 합니다. 교환을 입자 수가 일정한 파동 함수 공간에 작용하는 행렬 R로 표현하면 R2 = 1(스칼라)이 필요하며 두 가지 가능성이 남습니다: R = 1(보손) 및 R = −1(페르미온) ). 이러한 연속 변형은 2차원에서는 불가능하므로 집단 여기(준입자)가 더 풍부한 편조 동작을 나타낼 수 있습니다. 특히 이는 편조로 인한 전역 위상 변화가 어떤 값을 가질 수 있는 Abelian anyons2,3,6,7,8,24,25의 존재를 허용합니다. 비아벨리안 애니온(non-Abelian anyons)으로 알려진 또 다른 종류의 준입자가 존재한다고 제안되었으며, 대신 편조로 인해 파동함수4,5,24의 관측값이 변경됩니다. 즉, R2는 스칼라로 단순화되지 않고 단일 행렬로 유지됩니다. 따라서 R2는 모든 편조의 기본 특성입니다. 양자 계산에 대한 토폴로지 접근 방식은 이러한 비아벨리아 애니온과 토폴로지 특성을 활용하여 로컬 섭동 및 결맞음 오류로부터 보호되는 게이트 작동을 가능하게 하는 것을 목표로 합니다. 고체 상태 시스템에서 비아벨 준입자의 주요 후보는 5/2 분수 양자 홀 상태31,32, 토폴로지 초전도체33,34 및 초전도체에 근접한 반도체의 마요라나 제로 모드를 포함하는 해밀턴 시스템의 저에너지 여기입니다. 36,37,38. 그러나 비아벨 교환 통계에 대한 직접적인 검증은 여전히 ​​어렵습니다39,40,41.

우리는 토폴로지 양자 계산5,26을 위한 플랫폼으로서 물리적 시스템을 실험적으로 인증하는 데 필요한 요구 사항을 공식화합니다. (1) anyon 쌍을 생성합니다. (2) 융합 규칙으로 알려진 두 사람의 '충돌'을 규율하는 규칙을 확인합니다. (3) 매트릭스 구조 R2에 반영된 비아벨 편조 통계를 검증하고 (4) 임의의 자유도의 제어된 얽힘을 실현합니다. 특히, 단계 (2)~(4)를 관찰하려면 융합 또는 비국소 측정을 통해 다중 임의 상태를 측정해야 합니다.