Anyony to cząstki przewidziane teoretycznie w 1982 roku, które nie mieszczą się w tradycyjnym podziale na bozony i fermiony. Podczas gdy zamiana miejscami dwóch identycznych fotonów, czyli bozonów, nie zmienia ich funkcji falowej, a zamiana elektronów będących fermionami powoduje jej odwrócenie, anyony mogą podlegać dowolnej zmianie fazy. Stąd właśnie ich nazwa, pochodząca od angielskiego słowa „any”. Aby anyony zaistniały, potrzebne są ekstremalne warunki, obejmujące temperaturę bliską zeru absolutnemu, silne pole magnetyczne oraz intensywne oddziaływania między cząstkami.
Czytaj także: Odkrycie, które zmieni komputery kwantowe. Klastry złota osiągnęły 40% polaryzacji spinowej
Co więcej, mogą one występować wyłącznie w układach dwuwymiarowych, gdzie ruch w trzecim wymiarze jest zablokowany. W takich sytuacjach elektrony zachowują się, jakby były „pocięte” na ułamkowe części. Dwuwarstwowy grafen, ultracienki materiał złożony z dwóch warstw atomów węgla, okazał się idealną platformą do badania tych zjawisk. Jego struktura pozwala na precyzyjne kontrolowanie ruchu cząstek, co wykorzystali badacze pod kierunkiem dr. Jehyuna Kima i Himanshu Dev do stworzenia stabilnego środowiska dla nieabelowych anyonów.
Informacja zakodowana w sposobie przemieszczania cząstek
Nieabelowe anyony odróżniają się od swoich abelowych odpowiedników jedną kluczową cechą. Kolejność przestawienia kilku takich cząstek ma fundamentalne znaczenie dla końcowej funkcji falowej całego układu. Ta niezwykła własność pozwala na zakodowanie informacji nie w pojedynczych cząstkach, ale w globalnej strukturze, czyli topologii systemu. Dzięki temu dane stają się odporne na lokalne zakłócenia. Aby je zniszczyć, trzeba by zaburzyć cały układ jednocześnie, co jest znacznie trudniejsze niż wpłynięcie na pojedynczy, wrażliwy kubit w konwencjonalnych komputerach kwantowych. Taka naturalna odporność stanowi podstawę koncepcji topologicznych komputerów kwantowych, które teoretycznie nie wymagałyby tak ekstremalnej i kosztownej izolacji od otoczenia jak dzisiejsze prototypy.
Eksperyment z interferencją
Zespół badawczy przeprowadził eksperyment wykorzystujący zjawisko interferencji kwantowej. Najpierw przygotowano stan w grafenie sprzyjający powstawaniu nieabelowych anyonów. Następnie stworzono pętlę, w której fala materii jednego anyonu okrążyła obszar zawierający inne anyony oraz pole magnetyczne, by później spotkać się z sobą samą. Wynik okazał się zaskakujący. Zamiast spodziewanego sygnału odpowiadającego ładunkowi ćwiartkowemu, czyli jednej czwartej ładunku elektronu, zmierzono sygnał charakterystyczny dla ładunku połowicznego. Naukowcy wysunęli hipotezę, że wokół „wyspy” krążyły razem dwa anyony, choć nie udało się ich w tym eksperymencie bezpośrednio rozdzielić. W kolejnym etapie zmieniano gęstość elektronów wewnątrz obszaru, obserwując wpływ na wzór interferencyjny. Te zmiany wskazały, że cząstki wewnętrzne niosły właśnie ładunek ćwiartkowy, potwierdzając przewidywania dotyczące nieabelowych anyonów. Wyniki są spójne z wcześniejszymi eksperymentami tunelowymi przeprowadzonymi w tej samej instytucji przez zespół prof. Moty’ego Heibluma.
Długa droga do praktycznych zastosowań
Kolejnym kluczowym etapem badań będzie bezpośrednia obserwacja „pamięci” układu anyonów. Chodzi o pomiar, w jaki sposób różne sekwencje przestawień cząstek pozostawiają unikalne ślady w funkcji falowej. Taka demonstracja ostatecznie potwierdziłaby obecność nieabelowych anyonów w grafenie. Obecne komputery kwantowe, ze względu na swoją kruchość, pozostają domeną zaawansowanych laboratoriów. Technologia oparta na anyonach teoretycznie oferuje wbudowaną odporność na błędy, co mogłoby otworzyć drogę do bardziej praktycznych i stabilnych maszyn.
Czytaj także: Święty Graal komputerów kwantowych został odnaleziony. Naukowcy pokonali problem, który blokował rozwój od dekad
Dwuwarstwowy grafen, dzięki swojej stabilności i możliwościom precyzyjnej kontroli, wydaje się obiecującym materiałem do dalszych prac. Należy jednak zachować zdrowy rozsądek. Od obiecujących wyników laboratoryjnych do działającego, skalowalnego komputera kwantowego, który realnie rozwiąże problemy poza ścianami instytutu, wciąż daleka i wymagająca droga. Niemniej każde takie odkrycie posuwa całą dziedzinę do przodu, przybliżając moment, gdy obliczenia kwantowe mogą stać się niezawodnym narzędziem.