時間晶體和馬約拉納粒子攜手跨入拓撲量子計算機
時間晶體和被稱為馬約拉納費米子的准粒子這兩年來多次成為頭條新聞，主要是因為它們確實是很奇怪的玩意。現在，它們兩個攜起手來，搞起了聯合緋聞。有位物理學家打算利用它們神奇的物理特性來研製更強大的量子拓撲計算機，新型量子計算機不僅比現在的任何產品更為可靠，而且重量也更輕。
時間晶體和馬約拉納粒子，在同樣看起來就極其高端酷炫，不明覺厲的量子拓撲概念下結成完美姻緣。迷人理論的結合是由新加坡國立大學的物理學家提出的，他們意識到它們之間的相似之處，可以被應用在在所謂的拓撲量子計算機中。
為了盡最大努力避免大家「每個字都懂」的閱讀體驗，我們將這些概念分開來，逐一做個簡單介紹。
首先，時間晶體與常規的舊晶體相似，因為它們都基於重複的單元。只不過要把時間晶體放到四維時空中，才能清晰地看到它的晶格結構。因為構成它的粒子，處於永恆的周期性運動之中。
儘管如此，物理學家還是想出了方法，利用宛如魔法般的手段，將信息存儲到時間晶體之中。
然後，理論物理學家Ettore Majorana在1937年預言了一種與自身互為反粒子的不帶電的純中性粒。具體而言，它們是一種費米子——自旋為半奇數的粒子,服從費米-狄拉克統計。對於我們大多數人來說，知道它們是構成原子的笨重材料就行了。
儘管過了將近一個世紀，但我們仍未能在自然界發現這種正反合一的粒子。但我們拿到了二等獎，在實驗室製造出了它的模擬物——一群電子在特定磁場下，產生一種等效於馬約拉納粒子的東西。
這種准費米子能夠以相當獨特的扭曲方式移動。它的「編織式」運動使其成為量子計算機拓撲版本的理想選擇。
普通量子計算機依賴於一個粒子的不確定狀態(例如它的自旋)，拓撲量子計算機使用那些扭曲的辮子。
「粗略地說，編織是指交換兩個粒子的位置」，物理學家龔江濱說，「我們現實生活中有不同類型的辮子，而將一種辮子的樣式轉換為另一種辮子需要某些自然界中不存在的操作。」
辮子不像其他量子態那樣脆弱，使它們成為量子計算的基礎。
讓准費米子充當時間晶體的某個格點粒子，就會產生奇妙的反應。
研究人員模擬了粒子晶格的行為，操縱這些特殊的粒子使得它們像編織一樣起作用，從而為通用量子計算機提供操作基礎。
「編織時間晶體對於量子計算有潛在的益處，因為我們利用它們的時域特徵，獲得更多的編碼信息量子位。」 龔說。
更多的量子位等於更少的硬體，加上更不容易出錯的過程，時間晶體版的拓撲量子計算機看起來非常誘人。
研究人員下一步將探索提高運算效率的方式，將辮子移動到一系列電線中以創建更複雜的圖案。
我們希望它們是成果豐碩的聯姻。
這項研究發表在《物理評論快報》上。
本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
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