نگاهی به پشت صحنه می‌اندازد که چگونه یک حالت فرمیونی ساده می‌تواند فیزیک غیرآبلی را آشکار کند.

اخیراً، تیم ما در دانشگاه شیان جیائوتنگ مقاله‌ای را در Communications Physics منتشر کرده است که روشی جدید و ساده‌تر را برای آشکار کردن قانون سنتز حالت صفر Majorana (MZM) پیشنهاد می‌کند. ما معتقدیم راهی برای آشکار کردن “قوانین سنتز غیر پیش پا افتاده” آنها با استفاده از تنظیماتی که ممکن است در آزمایشگاه‌های امروزی وجود داشته باشد، یافته‌ایم.
در اینجا داستان پشت کار ما، “کشف قانون سنتز حالت صفر مایورانا با استفاده از حالت فرمیونی” است.

چرا ما با MZM وسواس داریم

در دنیای فیزیک ماده متراکم، یک ” جام مقدس” وجود دارد که ما بیش از یک دهه است که به دنبال آن هستیم: حالت صفر مایورانا (MZM). اینها ذرات معمولی شما نیستند. برخلاف الکترون ها یا پروتون ها، MZM ها پادذرات خودشان هستند.

اما چیزی که آنها را واقعاً خاص می کند – و دلیل علاقه شرکت هایی مانند مایکروسافت – پتانسیل آنها برای ایجاد انقلاب در محاسبات کوانتومی است. تصور کنید که در حال ساختن یک قلعه فانتزی (کامپیوتر کوانتومی) با کارت های بازی هستید، اما زمین زیر شما مدام می لرزد (صدای محیطی). حتی کوچکترین لرزش می تواند باعث فروریختن قلعه شما شود. این بزرگترین معضلی است که کامپیوترهای کوانتومی فعلی با آن روبرو هستند – آنها به سادگی بسیار شکننده هستند.

MZM ها روشی کاملاً جدید برای ساختن سیستم های کوانتومی ارائه می دهند – محافظت شده توسط توپولوژی

وقتی دو MZM با هم می آیند و ادغام می شوند، نتیجه منحصر به فرد نیست. در عوض، چندین کانال همجوشی ممکن وجود دارد، به این معنی که سیستم می‌تواند به حالت‌های کوانتومی مختلف ختم شود، قانونی که به صورت γ ×γ = I +Ψ نوشته می‌شود. در حالی که MZM ها از نظر فضایی از هم جدا می مانند، این احتمالات در کنار هم وجود دارند و باعث ایجاد مجموعه ای از حالت های پایه منحط می شوند. نکته مهم این است که این اطلاعات در یک مکان ذخیره نمی شود – به صورت غیر محلی در سراسر سیستم به اشتراک گذاشته می شود.

Braiding این را یک قدم جلوتر می برد. با تغییر آرام موقعیت MZM، می توان حالت کوانتومی را در این فضای منحط تغییر داد. مهمتر از همه، وضعیت نهایی به ترتیب مبادلات بستگی دارد. توالی های مختلف اتصال به نتایج متفاوتی منجر می شود، ویژگی که به عنوان آمار غیر آبلی شناخته می شود.

یک روش شهودی برای اندیشیدن به این به عنوان شبکه ای از مسیرها است: همجوشی مسیرهای موجود را تعیین می کند، در حالی که اتصال ترتیب مسیرها را تغییر می دهد. از آنجایی که اطلاعات به ساختار جهانی مسیرها بستگی دارد و نه به جزئیات محلی، اغتشاشات محلی کوچک نمی توانند به راحتی آن را مختل کنند.

همانطور که در بالا ذکر شد، درهم تنیدگی و همجوشی ماهیت “غیر آبلی” MZM را تعریف می کند. نویز محلی می تواند بخشی از سیستم را تحت تاثیر قرار دهد، اما نمی تواند به اطلاعات ذخیره شده در سطح جهانی دسترسی پیدا کند یا آنها را از بین ببرد. در نتیجه، MZM ها مسیر امیدوارکننده ای را برای محاسبات کوانتومی تحمل پذیر ارائه می کنند.

انگیزه ما

در طول دهه گذشته، بسیاری از آزمایش‌ها سیگنال‌هایی را گزارش کرده‌اند که شبیه MZM هستند. اما تقریباً هر بار یک سؤال ناخوشایند پیش می آید:

آیا ممکن است چیزی معمولی‌تر به عنوان مایورانا درآید؟

برای تایید واقعی MZM، فیزیکدانان نه تنها باید ثابت کنند که آنها وجود دارند، بلکه باید از قوانین غیر آبلی پیروی کنند.

در سال 2021، پروفسور جی لیو روشی پیشگام برای دستیابی به درهم تنیدگی کارآمد MZM در نانوسیم های 1 بعدی با استفاده از یک نقطه کوانتومی کمکی پیشنهاد کرد. با در نظر گرفتن یک نقطه کوانتومی به عنوان دو MZM جفت شده و تنظیم سطوح انرژی آن از طریق یک ولتاژ دروازه، می توان به طور موثر ادغام و تقسیم آنها را کنترل کرد، استراتژی که به سرعت مورد پذیرش گسترده قرار گرفت. با تکیه بر این چارچوب، تیم ما مطالعه را به درهم‌تنیدگی حالت‌های محدود آندریف گسترش داد. این به طور طبیعی ما را به یک سوال جذاب جدید سوق داد:آیا نقطه کوانتومی همچنین می تواند به عنوان پنجره ای برای کشف قوانین سنتز MZM عمل کند?این کنجکاوی به نیروی محرکه تحقیقات فعلی ما تبدیل شد.

رویکرد ما

تنظیم مرحله: ما یک مرحله مینیمالیستی طراحی کردیم: یک نانوسیم ابررسانا که قادر به تولید MZM متصل به یک نقطه کوانتومی ساده است.

ترفند: زیبایی این روش این است که اصلاً نیازی به تنظیم سیم ابررسانا نداریم. ما فقط باید یک دستگیره را بچرخانیم – مخصوصاً ولتاژ دروازه – برای تنظیم انرژی نقطه کوانتومی و باز یا بسته شدن “دروازه” (نیروی جفت) بین آن و سیم. ما یک مشکل پیچیده تنظیم دقیق را به یک کار ساده برای چرخاندن سوئیچ تبدیل کرده ایم.

یافته های کلیدی: پمپاژ بار قابل اندازه گیری

در حین شبیه‌سازی زنجیره‌های سنتز مختلف، ما به دنبال راهی بودیم تا یافته‌های خود را به صورت تجربی قابل مشاهده کنیم. با الهام از تحقیقات پیشگامی که فیوژن MZM را به انتقال بار غیر ضروری مرتبط می کند، انتقال بار را از طریق زنجیره های مختلف همجوشی تجزیه و تحلیل کردیم. این به ما اجازه داد تا شکاف بین قوانین سنتز نظری و اندازه‌گیری‌های الکتریکی دنیای واقعی را پر کنیم.

ما ادغام و تقسیم را با تنظیم دو پارامتر از طریق ولتاژ دروازه کنترل می کنیم: سطح انرژی نقطه کوانتومی (E_د) و قدرت اتصال آن به MZM (t_ج). هنگامی که این پارامترها در طول یک مدار همجوشی تعداد دفعات فرد از انرژی صفر عبور می کنند، یک بار کامل بین ابررسانا و نقطه کوانتومی پمپ می شود. عبور از تعداد دفعات زوج منجر به انتقال بار صفر می شود – یک امضای واضح و قوی از سنتز غیر ضروری.

دیدگاه: از برنامه تا واقعیت

همجوشی هسته ای فقط یک کنجکاوی نظری نیست، بلکه می تواند یک کاوشگر تجربی باشد. با تبدیل قانون همجوشی غیر پیش پا افتاده به پمپ شارژ، ما روش جدیدی را برای تأیید قانون همجوشی حالت صفر Majorana با استفاده از ابزارهایی که قبلاً با فیزیک مزوسکوپی آشنا هستند ارائه می دهیم: نقاط کوانتومی، ولتاژ دروازه و حسگرهای شارژ. نقطه قوت اصلی کار ما ماهیت مستقل از سیستم آن است. اگرچه ما این را در نانوسیم‌های 1 بعدی نشان می‌دهیم، جایی که نقطه کوانتومی حالت فرمیونی را فراهم می‌کند، این اصل جهانی است. به عنوان مثال، در یک گرداب توپولوژیکی غیر پیش پا افتاده، یک مولکول متصل به نوک یک کاوشگر میکروسکوپی روبشی نیز می تواند به عنوان یک حالت فرمیونی عمل کند. چه از طریق نقاط کوانتومی و چه از طریق مولکول ها، ارائه یک “حالت فرمیون” یک روش کلی و قدرتمند برای کشف قانون همجوشی غیر پیش پا افتاده در انواع سیستم عامل های فیزیکی است.

شاید مهمتر از آن این باشد که این کار بر درس مکرر فیزیک تأکید می کند: گاهی اوقات حل پیچیده ترین مسائل به ماشین های پیچیده تری نیاز ندارد – بلکه نیازمند نگاه کردن به جهان از زاویه ای متفاوت است.