האניונים (anyons) הלא אבליים הינם קוואזי-חלקיקים בעלי תכונות סטטיסטיות וטופולוגיות מרתקות. עד לאחרונה, חלקיקים אלו היו תאורטיים בלבד, אך כעת קבוצת מחקר מאוניברסיטת הרווארד יצרו אותם לראשונה במעבדה. התגלית עשויה לעודד חברות בתחום במחשוב הקוונטי להשתמש באניונים לא אבליים ליצירת קיוביטים עמידים
במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים קיימים שני סוגים של חלקיקים: בוזונים, בעלי ספין שלם, ופרמיונים, בעלי ספין שברי בכפולות של חצי. הבוזונים ידועים בתור חלקיקים נושאי הכוח, בניהם הפוטונים, הגלואונים אבל גם חלקיק ההיגס המפורסם. לעומתם הפרמיונים מרכיבים את החומר ביקום – האלקטרונים, הקווארקים ועוד (יחד עם מבנים מורכבים יותר כמו הפרוטונים והניוטרונים) כולם פרמיונים עם ספין חצי.
מלבד התכונה הספינורית, משפט הספין-סטטיסטיקה מלמד שכאשר שני חלקיקים מוחלפים בניהם, פאזה יכולה להיצבר. עבור בוזונים, הפאזה היא 0, או במילים אחרות, לא נצברת פאזה. לעומת זאת, עבור פרמיונים נצברת פאזה בגודל פאי, השקולה למכפלת פונקציית הגל במינוס אחד. אלו המכירים במעט את התורה הגלית יודעים שפאזה זו תכונה גלית ובזכותה נוצרות תבניות התאבכות מעניינות. באופטיקה, כאשר קרני אור בחפיפה אחת עם השנייה, הפרש הפאזות יכול לקבוע את עוצמת ההארה הנמדדת. בקוונטים, פאזות שונות עשויות לשנות את אמפליטודת ההסתברות למדידה.
כבר עוד במאה הקודמת, פיזיקאים ידעו שזו תופעה הנובעת מהעובדה שהיקום שלנו תלת ממדי. לעומת זאת, בעולם דו ממדי סוגים נוספים של חלקיקים יכולים להתקיים, בניהם האניונים. השם anyons, הוא הלחם של צמד המילים any one, ונבחר כדי לתאר את העובדה שבהחלפה של שני אניונים נצברת פאזה כללית, לא רק אפס או פאי (שימו לב אלו לא ה- anions, אטומים הטעונים שלילית). האניונים התגלו תאורטית בשנות השמונים על ידי פרנק וולצ׳ק (פיזיקאי שזה בפרס נובל על תגליות בתחום הכוח החזק) ובהמשך נעשה בהם שימוש כדי להסביר את אפקט הול השברי.
כעת, קבוצת מחקר בהובלת אשווין ווישוונאת׳ מאוניברסיטת הרווארד ובשיתוף חברת Quantinuum צפו לראשונה בעולם באניונים לא אבליים, סוג מסוים של אניונים שעד כה היו תאורטיים לחלוטין. התגלית פורסמה בכתב העת היוקרתי של נייצ׳ר בשבוע האחרון וכבר מכה גלים בתעשיית המחשוב הקוונטי. לעומת אלו המתוארים במודל הסטנדרטי, האניונים (וגם האניונים הלא אבליים) הינם קווזי-חלקיקים. צמד המילים קוואזי – חלקיקים בא להדגיש את העובדה שאלו אינם חלקיקים אלמנטריים ושהם נוצרים כתוצאה מעירור ייחודי בחומר. העירור יוצר מצב קוונטי מעניין שנראה כמו חלקיק אך דועך עם הזמן.
מה ההבדל בין אניונים ״רגילים״ (אבליים) לאניונים לא אבליים?
מלבד העובדה שהאניונים יכולים להתקיים רק על משטחים דו ממדיים, הפאזה הנצברת מהחלפת שני החלקיקים יכולה להיות כל מספר מרוכב שגודלו האבסולוטי שווה לאחד. סטטיסטיקה זו נקראת סטטיסטיקה אבלית, ובגדול היא אומרת שסדר ההחלפה של זוגות אניונים לא באמת משנה, הפאזה הכוללת תהיה אותו הדבר.
לעומתם, אניונים לא אבליים מורכבים יותר משום שיש משמעות לסדר ההחלפה. נניח ובידנו שלושה אניונים לא אבלים מסודרים בשורה. אם נחליף את זוג האניונים במיקומים 1-2 תחילה ואז את הזוג האניונים במיקומים 2-3, נקבל תוצאה שונה אילו היינו מבצעים את החילוף ההפוך, כלומר אילו היינו מחליפים את 2-3 קודם ואז את 1-2. במובן מסוים, אלו לחלקיקים עם ״זיכרון כלשהו״. הזיכרון מתבטא במסלול שהאניונים נעים.
מלבד העובדה שנצפו לראשונה, ההתלהבות של הקהילה המדעית מאניונים לא אבליים נובעת מהפוטנציאל היישומי האדיר בעולמות של מחשוב קוונטי. מסתבר שמסלולי האניונים במרחב יוצרים טופולוגיות מעניינות ובאמצעותם ניתן לקודד מידע העמיד לרעשים. בשונה מהקיוביטים העדינים והרועשים, האניונים הלא אבליים יחסית יציבים. בנוסף, בזכות הזיכרון המסלולי, ניתן ליצור באמצעותם קיוביטים איכותיים שניתנים לשימוש גם במערכת החשופה לשגיאות.
״השימוש בחלקיקים האקזוטיים סולל מסלול בטוח לבניית מחשב קוונטי יציב, אניונים לא אבליים פותרים בעיות רבות הנובעות מקיוביטים רועשים״, טוען טנטיווסדקרן, אחד מכותבי המאמר.
כדי ליצור את האניונים הלא אבליים, החוקרים השתמשו בלוכד היונים של חברת Quantinuum המכיל 32 גרעיני איטרביום (במחשב זה 27 קיוביטים לשימוש). בזכות אפקט המדידה במכניקת הקוונטים, החוקרים ביצעו מדידה חכמה על אותם יונים וגרמו למעבד לקרוס לפאזה הרצויה. לאחר מכן החוקרים הדגימו שהם מסוגלים להזיז את האניונים, להדגים שיש לו תכונות לא אבליות ולטעון שבאמצעותם ניתן לבצע חישובים.
במאמר המדובר, החוקרים חגגו את התגלית ואמרו כי ״השימוש במדידה ליצירת מצב קוונטי אינו מדע בדיוני יותר. האניונים הלא אבליים הפכו לאובייקטים פיזיקאליים הנצפים במעבדות״.
יש לכם שאלה מדעית? מוזמנים לשוחח איתי בכתובת המייל: [email protected]
עוד בנושא באתר הידען:
3 תגובות
מה את נותנים לנו מושגים מפוצצים שהיא בשבילינו ג’יבריש.לא הבנתי אפילו מילה. בלבול מח אחד גדול.שטויות במיץ.
הקדוש ברוך הוא יכול יותר מכל השטויות שכתבו כאן!!
רק אבינו שבשמים!
איזה יופי כל הכבוד למלך הכבוד
נחיה ונראה