拟议的量子设备可以简洁地实现涌现粒子例如斐波那契任意子

早在Jukka Vayrynen博士成为普渡大学物理与天文学系的助理教授之前，他就是一名博士后，研究在凝聚态物质环境中出现粒子的理论模型。到达普渡大学后，他打算扩展模型，希望它相对容易。他把看似简单的计算交给了与 Vayrynen 一起工作的研究生李光杰，但计算得出了意想不到的结果。这些结果是一个令人惊讶的障碍，几乎使他们的研究戛然而止。团队的坚韧已经克服了这一障碍，并将其变成了量子计算发展的可能途径。

在科罗拉多州的阿斯彭物理中心，Vayrynen 与以色列魏茨曼科学研究所的同事Yuval Oreg博士讨论了这个问题，后者帮助绕开了障碍。该团队利用对他们计算的这种新理解提出了一种量子设备，该设备可以通过实验进行测试，以简洁地实现诸如斐波那契任意子之类的涌现粒子。他们于 2023 年 2 月 10 日在《物理评论快报》上发表了他们的发现“多通道拓扑近藤效应” 。

凝聚态理论是一个物理学领域，研究电子量子系统的特性，并将其应用于超导体、晶体管或量子计算设备等技术。该领域的挑战之一是了解许多电子的量子力学行为，也称为“多体问题”。这是一个问题，因为它只能在非常有限的情况下进行理论上的建模。然而，即使在那些有限的情况下，已知也会出现丰富的涌现现象，例如集体激发或部分带电的涌现“准”粒子。这些现象是电子之间复杂相互作用的结果，可以导致新材料和技术的发展。

“在我们的论文中，我们提出了一种量子设备，它足够简单，可以在未来进行理论建模和实验测试，但也足够复杂，可以显示非平凡的涌现粒子，”Vayrynen 说。“我们的结果表明，所提出的设备可以实现一种称为斐波那契任意子的涌现粒子，它可以用作量子计算机的构建块。因此，该设备是开发量子计算技术的有前途的候选者。”

这一发现可以用于未来的量子计算机，其方式可以使它们更能抵抗退相干，也就是噪声。

根据他们的出版物，该团队引入了拓扑 Kondo 模型的物理激励 N 通道泛化。从最简单的情况 N = 2 开始，他们推测出一个稳定的中间耦合不动点，并评估由此产生的低温杂质熵。杂质熵表明在 N = 2 模型中可以实现涌现的 Fibonacci 任意子。

根据 Li 的说法，“斐波那契任意子是一种涌现粒子，其特性是当你向系统中添加更多粒子时，量子态的数量会像斐波那契序列 1、2、3、5、8 等一样增长。在我们的系统中，一个小型量子设备连接到传导电子引线，这将过度屏蔽设备并可能导致出现斐波那契任意子。”

该团队还给出了一些可以在未来的量子设备中进行实验测试的预测。

“我们评估零温度杂质熵和电导以获得我们结果的实验​​可观察特征。在大 N 极限中，我们评估了描述温度相关电导的完整交叉函数，”Vayrynen 说。

这项研究是 Li 和 Vayrynen 的 Purdue 团队将开展的一系列研究中的第一项。他们与德国马克斯普朗克固态研究所的资深科学家 Elio König 博士合作，并于 2022 年 10 月 20 日在预印本 arXiv ( 2210.16614 ) 中发布了相关工作“拓扑辛近藤效应”。