Кіріспе

Екі өлшемді квазибөлшектің түрі. Физикада анион – екі өлшемді жүйелерде ғана қазірге дейін байқалған квазибөлшек түрі. Үш өлшемді жүйелерде тек екі түрлі элементар бөлшектер кездеседі: фермиондар және бозондар. Аниондар фермиондар мен бозондардың арасындағы аралық статистикалық қасиеттерге ие және бөлшектік кванттық Холл эффектінде маңызды рөл атқарады.

Кіріспе

Үлкен көп дене жүйелерінің статистикалық механикасы Максвелл-Болцман статистикасымен сипатталған заңдарға бағынады. Кванттық статистика екі түрлі бөлшектің әртүрлі мінез-құлқынан – фермион мен бозоннан – күрделірек. Алайда екі өлшемді жүйелерде анион деп аталатын бөлшектердің үшінші түрі бар. Біз өмір сүріп жатқан үш өлшемді әлемде тек екі түрлі бөлшек бар: бірін-бірі итермелейтін "фермиондар" және бір-біріне жабысып тұратын "бозондар". Көпке белгілі фермион – электр тогын тасымалдайтын электрон, ал көпке белгілі бозон – жарық тасымалдайтын фотон. Бірақ екі өлшемді әлемде фермион немесе бозон сияқты мінез танытпайтын, анион деп аталатын тағы бір бөлшек түрі бар. Аниондар ерекше кванттық қасиеттерге ие. Екі өлшемді әлемде екі бірдей анион орын алмасса, олардың толқындық функциясы үш өлшемді физикада мүмкін емес жолмен өзгереді. Екі өлшемде бірдей бөлшектерді екі рет алмастыру оларды өздерінен айыруға тең емес. Бөлшектердің толқындық функциясы екі рет орын алмастырудан кейін бастапқысынан өзгеше болуы мүмкін; мұндай ерекше алмасу статистикасына ие бөлшектер аниондар деп аталады. Керісінше, үш өлшемде бөлшектерді екі рет алмастыру олардың толқындық функциясын өзгерте алмайды, нәтижесінде бізге тек екі мүмкіндік қалады: бозондар, олардың толқындық функциясы бір рет алмастырылғаннан кейін де өзгермейді, және фермиондар, олардың алмасуы толқындық функциясының тек таңбасын өзгертеді. |авторы=Кирилл Штенгель| Бұл процесс – бірдей бөлшектерді алмастыру немесе бір бөлшекті екіншісінің айналасында айналдыру – "өру" деп аталады. Екі анионды өру оқиғаның тарихи жазбасын қалдырады, өйткені олардың өзгерген толқындық функциялары өрулердің санын тіркейді. Microsoft компаниясы топологиялық кванттық есептеудің ықтимал негізі ретінде аниондарға қатысты зерттеулерге инвестиция салды. Олар кванттық есептеуде жад түрі ретінде пайдалы болуы мүмкін. Дегенмен, кванттық есептеуге салынған инвестициялардың көп бөлігі аниондарды пайдаланбайтын әдістерге негізделген. 1977 жылы Осло университетінде жұмыс істейтін екі теориялық физик – Джон Магне Ленаас пен Ян Мирхейм – егер бөлшектер тек екі өлшемде қозғалса, оларды фермион немесе бозон ретінде дәстүрлі жіктеуге болмайтынын көрсетті. Бозон да, фермион да емес гипотетикалық бөлшектер бұрын күтпеген қасиеттердің алуан түрлерін көрсетуі күтіледі. 1982 жылы Франк Вильчек екі өлшемде квазибөлшектердің бөлшектік статистикасын зерттейтін екі мақала жариялады, оларға орын алмастыру кезінде фазалық ығыс кез келген мәнді қабылдауы мүмкін екенін көрсету үшін "анион" деген ат берді. 1982 жылы Дэниел Цуи мен Хорст Штөрмер бөлшектік кванттық Холл эффектін ашты. Вильчек жасаған математика Гарвард университетінің Бертран Халпериніне оның кейбір аспектілерін түсіндіруде көмектесті. 1985 жылы Франк Вильчек, Дэн Аровас және Роберт Шриффер осы жүйелердегі бөлшектердің шын мәнінде аниондар екенін болжаған нақты есептеу арқылы бұл мәлімдемені растады.

Топологиялық баламалық

Жолдардың гомотопиялық кластары (яғни, өрімдердегі баламалық ұғымы) маңызды екендігі одан да терең түсінікке жол ашады. Бұл Фейнман жол интегралынан туындайды, онда кеңістік-уақыттағы бастапқы нүктеден соңғы нүктеге дейінгі барлық жолдар тиісті фазалық коэффициентпен үлес қосады. Фейнман жол интегралын уақыт тілімі деп аталатын әдіс арқылы таратушыны кеңейту арқылы түсіндіруге болады, онда уақыт дискреттеледі. Гомотоптық емес жолдарда, бір уақыт тіліміндегі кез келген нүктеден келесі уақыт тіліміндегі кез келген нүктеге өту мүмкін емес. Осылайша, жолдардың гомотоптық баламалық класын әртүрлі салмақ коэффициенттерімен қарастыруға болады. Демек, эквиваленттіліктің топологиялық түсінігі Фейнман жол интегралын зерттеу нәтижесінде пайда болғандығын көруге болады. 2020 жылы екі ғалымдар тобы (бірі Парижде, екіншісі Пурдюде) аниондардың бар екендігіне жаңа эксперименталдық дәлелдер ұсынды. Екі эксперимент те Discover журналының 2020 жылғы «ғылымның жай-күйі» санында жарияланды. 2020 жылдың шілдесінде Пурдю университетінің ғалымдары басқа құрылғыны пайдалана отырып, анионды анықтады. Команданың интерферометрі электрондарды галлий арсениді мен алюминий-галлий арсенидінен жасалған лабиринт тәрізді наноқұрылым арқылы бағыттайды. "Біздің аниондарымыз үшін өрім арқылы туындаған фаза 2π/3-ке тең болды", - деді ол. "Бұл табиғатта бұрын көрмеген нәрсе". 2023 жылға қарай бұл зерттеудің белсенді саласы болып қала береді; Google Quantum AI суперөткізгіш процессорды пайдалана отырып, Андерсен және авторлардың arXiv мақаласында абелдік емес анион сияқты бөлшектердің алғашқы өрімі туралы хабарлады, бұл 2022 жылдың қазанында Nature журналында жарияланды. 2023 жылдың мамырында arXiv-те жарияланған мақалада Quantinuum тұтқынға алынған ион процессорды пайдалана отырып, абелдік емес өрім туралы хабарлады.

Абельдік емес аниондар

1988 жылы Юрг Фролих бөлшектер алмасуы моноидалды (абельдік емес статистика) болуы спин-статистика теоремасы бойынша дұрыс екенін көрсетті. Атап айтқанда, бұл жүйеде бірқатар дегенерация болғанда, жүйедегі әртүрлі күйлердің бөлшектер конфигурациясы бірдей болғанда мүмкін болады. Сонда бөлшектердің алмасуы тек фазалық өзгеріске ғана емес, сонымен қатар жүйені бірдей бөлшектер конфигурациясымен басқа күйге жіберуі мүмкін. Бөлшектер алмасуы осы дегенерациялық күйлердің субкеңістігінде сызықтық түрлендіруге сәйкес келеді. Дегенерация болмаған жағдайда бұл субкеңістік бір өлшемді болады, сондықтан барлық осындай сызықтық түрлендірулер коммутациялайды (өйткені олар тек фазалық факторға көбейтіледі). Егер дегенерация болса және бұл субкеңістік жоғары өлшемді болса, онда осы сызықтық түрлендірулер міндетті түрде коммутацияламауы мүмкін (матрица көбейтуіндей). Грегори Мур, Николас Рид және Сяо Ган Вэн абельдік емес статистиканы фракциялық кванттық Холл эффектісі (FQHE) арқылы іске асыруға болатынын көрсетті. Бастапқыда абельдік емес аниондар математикалық қызығушылық ретінде қарастырылған, бірақ физиктер Алексей Китаев абельдік емес аниондарды топологиялық кванттық компьютер құру үшін пайдалануға болатынын көрсеткеннен кейін оларды табуға ұмтылыс жасады. 2012 жылға дейін ешқандай эксперимент абельдік емес аниондардың бар екенін нақтылай қоймады, бірақ ν = 5/2 FQHE күйін зерттеуде үміттендіретін белгілер пайда болды. Абельдік емес аниондардың эксперименталдық дәлелдері, әлі де толыққанды дәлелденбеген және қазіргі уақытта даулы болғанымен, 2013 жылдың қазан айында ұсынылды. Жақындағы зерттеулерде тұтқынға алынған иондық процессорда абельдік емес топологиялық рет пен аниондар жасалғаны туралы мәлімдемелер жасалды.

Топологиялық негіз

Екі өлшемнен артық, спин-статистика теоремасы, ажыратылмайтын бөлшектердің кез келген көп бөлшектік күйі Бозе-Эйнштейн немесе Ферми-Дирак статистикасына бағынуға тиіс дейді. Кез келген d > 2 үшін, Лей топтары SO(d,1) (Лоренц тобын жалпылайтын) және Poincaré(d,1) Z2-ні бірінші гомотопиялық тобы ретінде иеленеді. Циклдік топ Z2 екі элементтен тұратындықтан, тек екі мүмкіндік қалады. (Бұл мәліметтерге толығырақ қатысты, бірақ бұл – басты мәселе.) Екі өлшемде жағдай өзгереді. Мұнда SO(2,1) және сондай-ақ Poincaré(2,1) топтарының бірінші гомотопиялық тобы Z (шексіз циклдік) болып табылады. Бұл Spin(2,1) толық қаптама емес екенін білдіреді: ол жай ғана байланыссыз. Нақтырақ айтқанда, SO(2,1) арнайы ортогоналдық тобының проекциялық бейнелері бар, олар SO(2,1) немесе оның екі еселі қаптамасы – спин тобы Spin(2,1) сызықтық бейнелерінен туындамайды. Аниондар – зарядталған бөлшектің спиндік поляризациясының жұп толықтыратын бейнелері. Бұл түсінік релятивистік емес жүйелерге де қолданылады. Мұндағы маңызды бөлік – SO(2) кеңістіктік айналу тобының шексіз бірінші гомотопиялық тобы бар. Бұл факт түйін теориясында кеңінен танымал тоқыма топтарымен де байланысты. Бұл қатынасты екі өлшемде екі бөлшектің орналасуларының тобы енді S2 симметриялық тобы (екі элементі бар) емес, керісінше B2 тоқыма тобы (шексіз элементтері бар) екенін ескергенде түсінуге болады. Бастысы, бір тоқыма екіншісінің айналасын орап ала алады, бұл операцияны шексіз рет орындауға болады, сағат тілімен де, сағат тіліне қарсы да. Кванттық есептеудегі тұрақтылық-декогеренттілік мәселесіне өте ерекше көзқарас – аниондарды, квазибөлшектерді (талшықтар ретінде қолданылатын) пайдаланып топологиялық кванттық компьютер құру және тұрақты кванттық логикалық қақпаларды құру үшін тоқыма теориясына сүйену.

Жоғары өлшемдерге жалпылау

Фракцияланған қоздырғыштар нүктелік бөлшектер ретінде 2+1 кеңістікте бозон, фермион немесе анион болуы мүмкін. Нүктелік бөлшектер 3+1 және одан жоғары кеңістікте тек бозон немесе фермион болатыны белгілі. Дегенмен, цикл (немесе жіп) немесе мембрана сияқты қоздырғыштар – фракцияланған статистикаға ие кеңейтілген объектілер. Қазіргі зерттеулер 3+1 өлшемді кеңістікте топологиялық тәртіптер үшін цикл және жіп тәрізді қоздырғыштардың бар екенін көрсетеді, ал олардың көп циклдік/жіптік тоқу статистикасы 3+1 өлшемді топологиялық тәртіптерді анықтау үшін маңызды белгі. 3+1 өлшемді топологиялық тәртіптердегі көп циклдік/жіптік тоқу статистикасын 4 кеңістік-уақыт өлшемдеріндегі белгілі бір топологиялық кванттық өріс теорияларының байланыс инварианттары арқылы сипаттауға болады. Тілмен айтқанда, кеңейтілген объектілер (цикл, жіп немесе мембрана сияқты) 3+1 және одан жоғары кеңістіктегі уақыт өлшемдерінде ұзақ қашықтықтағы байланысқан жүйелерде аниондық болуы мүмкін.