Aleks A.Almistov. Физики доказали существование энионов (“anyon “) – третьего царства частиц

Прорывы в Науке в 2020 году- 2 (новоиспеченный канон квантовой физики и ещё одна загадка Мироздания)

Физики доказали существование энионов (“anyon “) – третьего царства частиц

Квантовое будущее человечества

Критерий деления элементарных частиц на два лагеря – это значение спина, квантового числа, которое характеризует собственный момент импульса частицы. Иными словами, если спин отдельно взятой частицы определяется целым числом – перед вами бозон, а если полуцелым – фермион. В этом году исследователи обнаружили первые признаки существования третьего царства частиц – энионов, поведение которых не похоже на поведение ни бозонов, ни фермионов. Рассказываем что такое энионы и почему их открытие имеет огромное значение для современной физики, передает hi-news.ru.

Что такое «энионы»?

Каждая последняя частица во Вселенной — от космических лучей до кварков – является либо фермионом, либо бозоном. Эти категории делят строительные блоки Вселенной на два различных царства.

В уходящем 2020 году исследователи обнаружили первые признаки существования третьего царства частиц – энионов. Интересно что энионы не ведут себя ни как фермионы, ни как бозоны; вместо этого их поведение находится где-то посередине.

В статье, опубликованной летом 2020 года в журнале Science, физики обнаружили первые экспериментальные доказательства того, что эти частицы не вписываются ни в одно из известных физикам царств. «Раньше у нас были бозоны и фермионы, а теперь у нас есть это третье царство элементарных частиц», – сказал Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института в интервью изданию Quanta Magazine.

Так как законы квантовой механики, описывающие поведение элементарных частиц, сильно отличаются от известных законов классической физики, понять их довольно трудно. Чтобы сделать это, исследователи предлагают представить себе… рисунок петель. Все потому, что когда энионы сплетены, один из них как бы «обвивается» вокруг другого, изменяя квантовые состояния.

Итак, представьте себе две неразличимые частицы, похожие на электроны. Возьмите одну, а затем обмотайте ее вокруг другой так, чтобы она вернулась туда, откуда начала свой путь. На первый взгляд может показаться что ничего не изменилось. И действительно, на математическом языке квантовой механики две волновые функции, описывающие начальное и конечное состояния, должны быть либо равны, либо иметь отклонение в одну единицу. (В квантовой механике вы вычисляете вероятность того, что наблюдаете, возведя в квадрат волновую функцию, так что этот коэффициент – 1 – вымывается).

Если волновые функции частицы идентичны, то перед вами бозоны. А если они отклоняются на 1 коэффициент, то вы смотрите на фермионы. И хотя вывод, полученный в ходе нового исследования может показаться чисто математическим упражнением, он имеет серьезные последствия для современной физики.

Три царства элементарных частиц

Исследователи также отмечают, что фермионы – это антисоциальные члены мира частиц, так как никогда не занимают одно и то же квантовое состояние. Из-за этого электроны, которые относятся к классу фермионов, попадают в различные атомные оболочки вокруг самого атома. Из этого простого явления возникает большая часть пространства в атоме – удивительное разнообразие периодической системы и вся химия.

Бозоны, с другой стороны, являются стадными частицами, обладающими счастливой способностью объединяться и разделять одно и то же квантовое состояние. Таким образом, фотоны, которые относятся к классу бозонов, могут проходить друг через друга, позволяя световым лучам беспрепятственно перемещаться, а не рассеиваться.

Бозон Хиггса – это событие, вытекающие из столкновений между протонами в Большом адронном коллайдере CERN. При столкновении в центре частица распадается на два фотона (пунктирные желтые и зеленые линии)

Но что произойдет, если закольцевать одну квантовую частицу вокруг другой? Вернется ли она в исходное квантовое состояние? Чтобы понять произойдет это или нет, необходимо углубиться в краткий курс топологии – математического изучения форм. Считается, что две формы топологически эквивалентны, если одна может быть преобразована в другую без каких-либо дополнительных действий (склеивания или разделения). Пончик и кофейная кружка, как гласит старая поговорка, топологически эквивалентны, потому что одно может быть плавно и непрерывно сформировано в другое.

Рассмотрим петлю, которую мы сделали, когда вращали одну частицу вокруг другой. В трех измерениях эту петлю можно сжать до точки. Топологически это выглядит так, как если бы частица вообще не двигалась. Однако в двух измерениях петля не может сжиматься, она застревает на другой частице. Это означает, что сжать петлю в процессе не получится. Из-за этого ограничения — обнаруженного только в двух измерениях – петля одной частицы вокруг другой не эквивалентна пребыванию частицы в том же самом месте. Да, голова идет кругом. Вот почему физикам понадобился третий класс частиц – энионы. Их волновые функции не ограничены двумя решениями, определяющими фермионы и бозоны и эти частицы не являются ни тем ни другим.

«Топологический аргумент стал первым признаком существования энионов», – считает один из авторов научной работы Гвендаль Фев, физик из Сорбоннского университета в Париже. Когда электроны ограничены в движении в двух измерениях, они охлаждаются почти до абсолютного нуля, подвергаясь воздействию сильного магнитного поля.

Исследователи построили в лаборатории маленький адронный коллайдер чтобы доказать существование энионов.

В начале 1980-х годов физики впервые использовали эти условия для наблюдения «дробного квантового эффекта Холла», при котором электроны собираются вместе, чтобы создать так называемые квазичастицы, имеющие долю заряда одного электрона. В 1984 году в основополагающей двухстраничной работе Фрэнка Вильчека, Даниэля Ароваса и Джона Роберта Шриффера было показано, что эти квазичастицы могут быть любыми. Но ученые никогда не наблюдали подобного поведения квазичастиц, а значит не могли доказать, что энионы не похожи ни на фермионы, ни на бозоны.

Вот почему новое исследование революционно – физика наконец удалось доказать, что энионы ведут себя как нечто среднее между поведением бозонов и фермионов. Интересно и то, что в 2016 году три физика описали экспериментальную установку, напоминающую крошечный адронный коллайдер в двух измерениях. Фев и его коллеги построили нечто подобное чтобы измерить флуктуации токов в коллайдере.

Им удалось показать, что поведение энионов в точности соответствует теоретическим предсказаниям. В общем и целом авторы научной работы надеются, что запутанные энионы смогут сыграть важную роль в создании квантовых компьютеров.

Источники: https://hi-news.ru/eto-interesno/fiziki-dokazali-sushhestvovanie-anionov-tretego-carstva-chastic.html

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/173

(Looking for intermediate statistics : Elementary particles in three dimensions are either bosons or fermions, depending on their spin. In two dimensions, it is in principle possible to have particles that lie somewhere in between, but detecting the statistics of these so-called anyons directly is tricky. Bartolomei et al. built a collider of anyons in a two-dimensional electron gas of GaAs/AlGaAs (see the Perspective by Feldman). Two beams of anyons collided at a beam splitter and then exited the device at two outputs. The researchers studied the correlations of current fluctuations at the outputs, which revealed signatures of anyonic statistics. )

И да – для чего это нужно на практике:

Китайские ученые разработали квантовый компьютер, который смог решить одну из самых сложных задач за 200 секунд. Фото с сайта /hi-news.ru/

В Китае создан квантовый компьютер, который решил самую сложную задачу за 200 секунд 

Китайские ученые разработали квантовый компьютер, который смог решить одну из самых сложных задач за 200 секунд. Даже самый мощный классический компьютер потратил бы на вычисление около 2,5 миллиарда лет. Явление, при котором квантовый компьютер оказывается гораздо мощнее обычного, принято называть квантовым преимуществом. 

Впервые о достижении квантового преимущества в 2019 году объявила компания Google, но их успех был подвержен критике. В рамках этой статьи предлагаю вам вкратце разобраться, что такое квантовый компьютер, какую именно задачу он смог решить и каким образом. И значит ли это, что в скором будущем наши домашние компьютеры станут в тысячи раз мощнее?

Что такое квантовый компьютер?

Если говорить коротко, в классических компьютерах для хранения информации используются биты. А в квантовых компьютерах для этого используются так называемые кубиты, которые вмещают в себя гораздо больше данных. Именно поэтому считается, что квантовые компьютеры потенциально гораздо мощнее, чем классические. Только вот на данный момент ученые не умеют управлять большим количеством кубитов и в квантовых компьютерах их насчитывается всего лишь несколько десятков. А вот в обычных компьютерах количество оперативной памяти составляет несколько гигабайт, то есть десятки миллиардов (!) битов.

На данный момент квантовые компьютеры выглядят примерно так

Что такое квантовое преимущество?

Квантовые компьютеры в будущем действительно могут заменить собой обычные, но на данный момент они далеки от совершенства. Однако, даже имея при себе всего лишь несколько кубитов, некоторые задачи они решают в тысячи раз быстрее даже самых мощных компьютеров. Такие достижения называются квантовым преимуществом и в 2019 году таким успехом поделилась компания Google. Разработанный ею квантовый компьютер Sycamore решила одну сложную задачу за 3 минуты. А для суперкомпьютера Summit для этого потребовалось бы более 10 000 лет. Но скептики отметили, что при правильной настройке компьютер Summit справился с задачей за несколько дней. Так что факт достижения квантового превосходства компанией Google до сих пор подвергается сомнению.

Квантовый компьютер Sycamore

Интересный факт: изначально упомянутый выше термин звучал как «квантовое превосходство». Но потом это словосочетание сочли неполиткорректным и заменили на «квантовое преимущество».

Китайский квантовый компьютер

В 2020 году достигнуть квантового превосходства попытались китайские ученые. Для этого они разработали компьютер, предназначенный для решения задачи по сэмплированию бозонов. Если говорить очень коротко, то системе нужно было рассчитать прохождение частиц света (фотонов) через оптический прибор. Эта задача была сформулирована несколько лет назад, но математическую формулу для ее решения создать попросту невозможно. По словам авторов научной работы, суперкомпьютеру TaihuLight для решения этой задачи потребовалось бы около 2,5 миллиардов лет. Но квантовый компьютер справился с задачей всего за 200 секунд.

Решение стало возможным благодаря одной хитрости. Так как в задаче речь идет о частицах света, вместо кубитов в компьютере использовались такие же фотоны. Таким образом ученые упростили задачу прямо «на уровне железа». Получается, что исследователям действительно удалось достичь квантового превосходства. Но и на это раз без критики не обошлось. Дело в том, что созданное для решение задачи устройство можно назвать компьютером лишь с большой натяжкой. В нем используются квантовые вычисления при помощи кубитов, но его нельзя программировать. То есть, на данный момент такой компьютер нельзя использовать для решения других задач. Но факт того, что квантовое преимущество достигнуто, уже есть.

Однако, с течением времени программируемая система на основе квантов все равно наверняка будет создана. Когда это случится, технологии станут развиваться с молниеносной скоростью. Например, человечество сможет быстро изобретать лекарства от опасных заболеваний и даже узнавать тайны Вселенной.

Первоисточник – https://naucaitechnika.mirtesen.ru/blog/43770161758/Fiziki-dokazali-suschestvovanie-anionov-tretego-tsarstva-chastit, подробности и авт.дополнения по теме “Загадки Вселенной” здесь: https://author.today/post/138500. Картинки и иллюстрации к статье взяты автором из открытых источников (см. ссылки на первоисточники новостей и материалов).

• Ключевые слова: энион,частиц,доказ,физик,царств