Naar deeltjes met ongewone eigenschappen, genaamd anyonen, wordt gezocht omdat ze kunnen dienen als bouwsteen voor geavanceerde quantumcomputers. Nu hebben onderzoekers er een gevonden, met behulp van een quantumcomputer.

Een mysterieus deeltje dat zich zijn verleden kan herinneren, is gecreëerd met behulp van een quantumcomputer. Dit anyon zou de prestaties van quantumcomputers in de toekomst kunnen verbeteren.

Het anyon is anders dan alle andere deeltjes die we kennen, omdat het een soort lijstje bijhoudt van waar het is geweest. Normaal gesproken geldt voor deeltjes, zoals elektronen of fotonen (lichtdeeltjes), dat ze identiek zijn, en dat het dus onmogelijk is om te zien of er een paar is omgewisseld heeft plaatsgevonden.

Iedereen kan overweg met een 'derde duim'
LEES OOK

Iedereen kan overweg met een 'derde duim'

Iedereen kan wennen aan een extra robotduim, van kinderen tot senioren. Dat stelden Britse onderzoekers vast bij een wetenschapsfestival.

Maar in de jaren zeventig realiseerden natuurkundigen zich dat dit niet het geval was voor bepaalde quasideeltjes die alleen in twee dimensies kunnen bestaan. Later kregen die de naam anyonen. Quasideeltjes zijn, zoals de naam al aangeeft, geen echte deeltjes. Ze ontstaan door collectief gedrag, zoals bijvoorbeeld trillingen van grote aantallen echte deeltjes, die zich samen gedragen alsof ze deeltjes zijn.

Niet-abels

In tegenstelling tot andere deeltjes, verandert het omwisselen twee anyonen het paar fundamenteel, waarbij het aantal verwisselingen de manier waarop ze trillen beïnvloedt. Groepen van een bepaalde soort van deze quasideeltjes, genaamd niet-abelse anyonen, dragen herinneringen mee aan de volgorde waarin ze zijn verwisseld, zoals een gevlochten stuk touw informatie bevat over de volgorde waarin de strengen zijn gekruist. Maar waar de draden van een touw elkaar fysiek beïnvloeden, beïnvloeden anyonen elkaar via het quantumverschijnsel verstrengeling.

Door dit inherente geheugen en de quantum-aard van de quasideeltjes zijn niet-abelse anyonen een aantrekkelijke kandidaat om quantumberekeningen mee te doen. Maar hun bestaan was nog nooit experimenteel aangetoond.

Quantumprocessor

Nu zeggen theoretisch quantumfysicus Henrik Dryer van quantumcomputerbedrijf Quantinuum en zijn collega’s dat zij dat wel hebben gedaan in een nog niet peer-gereviewde preprint. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe quantumprocessor, genaamd H2, die gebruik maakt van ytterbium- en bariumionen die met magnetische velden en lasers worden ingevangen om qubits, of quantumbits, te creëren, de bouwstenen van een quantumcomputer.

Kagome-rooster. Beeld: WilliamSix, CC-BY-SA-2.5

Vervolgens verstrengelden zij deze qubits in een formatie die een Kagome-rooster wordt genoemd, een patroon van in elkaar grijpende sterren dat ook gebruikt wordt bij het weven van traditionele Japanse manden. Dit gaf de qubits quantummechanische eigenschappen die passen bij anyonen. Vervolgens paste het team de interacties tussen de qubits aan, op zo’n manier dat dat overeenkomt met het verplaatsen van anyonen. Zo konden ze de kenmerkende veranderingen die ontstaan bij verwisselingen testen en bevestigen.

Simulatie

‘Dit is de eerste overtuigende proef die hiertoe in staat is. Dit zou dus het eerste geval zijn van wat je niet-abelse topologische orde zou kunnen noemen’, zegt natuurkundige Steven Simon van de Universiteit van Oxford. Het feit dat je met de anyonen kunt spelen met een quantumcomputer is ook nuttig voor onderzoekers die deze exotische materietoestand beter willen begrijpen, zegt hij.

Maar anderen menen dat Quantinuum niet-abelse anyonen heeft gesimuleerd in plaats van ze echt te creëren. ‘Ik weet dat ze erg enthousiast zijn over hun werk, en dat moet ook, maar het blijft een simulatie’, zegt theoretisch natuurkundige Jiannis Pachos van de Universiteit van Leeds. Dat betekent dat bepaalde eigenschappen van echte anyonen kunnen ontbreken.

Dryer is een andere mening toegedaan, en zegt dat het quasideeltjes-karakter van anyonen betekent dat een simulatie hetzelfde is als een ‘echt’ quasideeltje. ‘Een tegenintuïtieve eigenschap van deze anyonen is dat ze niet fysiek zijn. Het maakt niet uit waar ze van gemaakt zijn’, zegt Dryer. ‘Het gaat alleen om de informatie en quantumverstrengeling. Dus als je een systeem hebt dat dat soort verstrengeling kan creëren, dan kun ook de bijbehorende anyonen creëren.’