科学家发现量子粒子会记住过去的状态

研究人员追踪了超薄碳中循环的分数电荷,并观察到它以一致的干扰节奏返回。

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该结果进一步证实了量子粒子的集体状态可以保留先前交换的记录。

一个有后果的循环

这种有节奏的信号来自最近一篇论文中报道的一个门控回路,其中电阻会按可预测的方式上升和下降。

通过保持装置的稳定,凝聚态物理学家尤瓦尔·罗南博士测试了环状电荷是否保持相干性。

他在魏茨曼科学研究所 ( WIS ) 的实验室构建了石墨烯电路,使科学家能够通过电极来控制量子运动。

这种控制至关重要,因为未来的量子计算机需要能够经受局部冲击的信息,而不仅仅是在冷冻室中完美隔离的信息。

当电子变成分数

极寒环境和强磁场可以迫使电子排列成新的模式,这些模式以碎片的形式携带电荷。

分数量子霍尔效应,即电子沿边缘表现为较小电荷的现象,最早于 1982 年被报道。

物理学家通常将这些分数状激发称为任意子,即只出现在二维空间中的粒子状束。

分母为偶数的分数是非阿贝尔任意子的有力候选者,交换会重塑共享的量子态,而不是简单的时间变化。

读取量子干涉

量子粒子也具有波动性。波函数,即描述这些波动可能性的数学模型,描述了它们的状态。

当回路将波分成两股,然后又将两股波重新组合时,两条路径要么相互加强,要么相互抵消,从而改变了电阻。

阿哈罗诺夫-玻姆效应,即由环绕磁通量引起的计时偏移,决定了阻力带的节奏。

由于该模式在许多电路中保持一致,因此该信号携带了有关哪种分数电荷传输的线索。

半充电的意外

一份报告记录了球队的转折点,当时干扰与分母为偶数的分数非常接近。

罗南说: “在我们的实验中,我们成功测量出了分母为偶数的分数电子。”

与预期的四分之一电荷不同,环绕的波看起来像半个电子,暗示着有一对电子在移动。

罗南的团队将半电荷信号与两个一起运动的粒子联系起来,但他们并没有将它们分开。

在充满电的岛屿内部

通过改变设备上的电压,研究人员还可以调节环路包围的岛状区域内的电子密度。

随着密度的变化,干涉线发生了倾斜,这意味着被捕获的粒子携带了四分之一电子的电荷。

这些内部电荷与旋转相互作用,它们的存在改变了复合时间,从而决定了电阻。

将该岛电荷与之前的循环结果进行比对,证据倾向于非阿贝尔行为。

拓扑结构中存储的内存

对于这些粒子来说,顺序很重要,因为每一次交换都可以重写系统范围内的拓扑模式,这种模式受到全局结构而非微观细节的保护。

“在非阿贝尔任意子中,位置的交换会在波函数的形状上留下印记,”罗南解释说。

一篇经典评论描述了整个系统如何存储交易历史记录,而无需将信息固定在一个位置。

非本地存储对偶然缺陷或振动造成编码顺序擦除的风险非常高。

为什么噪音的影响较小

大多数量子计算机都是利用容易漂移的局部状态来构建量子比特(量子计算机中的信息单元)。

热量、杂散场和微小的材料缺陷可以扰乱这些局部状态,从而扰乱存储的信息。

罗南补充道:“在非阿贝尔任意子中,有关交换顺序的信息不是存储在局部,而是存储在整个系统的波函​​数中。”

如果像这样的实验能够按需控制这些交易,那么纠错可能会变得更简单、更便宜。

还缺少哪些证据?

单凭干涉图样无法证明完全的非阿贝尔同一性,因为多个量子态可以模拟相似的时间。

主要数据符合半个电荷绕圈一周或四分之一电荷绕圈两周后重新结合的情况。

岛屿内部的温度效应和波动也会模糊最清晰的信号,尤其是在多个粒子相互作用时。

只有直接读取交易指令,而不仅仅是费用金额,才能确定系统是否真的记住了交易指令。

编辫子的下一步

WIS 目前的工作重点是隔离最小的电荷,并控制岛内电荷的数量。

“我们已经证明,双层石墨烯几乎肯定包含非阿贝尔任意子粒子,”罗南总结道。

为了测试所承诺的记忆功能,该团队需要以不同的顺序交换粒子,并比较整个系统的波函​​数。

如果这些有序交换留下明显的干扰特征,工程师就可以开始设计能够抵抗局部噪声的逻辑元件。

谨慎前行

这种双层石墨烯器件能够保持信号相干足够长的时间,从而暗示出具有分数电荷和历史的粒子。

现在取得进展的关键在于分离出单个非阿贝尔任意子。研究人员还必须证明,它们的交换顺序会如预测的那样改变整个系统。

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xuanzhang
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