znanost 9.5.2018 14:16

Raziskovalci IJS potrdili obstoj delcev, o katerih je razmišljal že Nobelov nagrajenec

Ljubljana, 9. maja - Raziskovalci Instituta Jožef Stefan (IJS) so potrdili štiri desetletja stara razmišljanja Nobelovega nagrajenca Franka Wilczeka o nenavadnih delcih, ki naj bi poleg že znanih fermionov in bozonov obstajali v naravi. Njihov dosežek predstavlja pomemben korak k uresničitvi topološkega kvantnega računalnika, so sporočili z IJS.

Ljubljana
Znanstvenik na IJS Martin Klanjšek.
Foto: Anže Malovrh/STA

Skupina slovenskih fizikov je skupaj s sodelavci iz Švice potrdila obstoj dveh vrst nenavadnih anyonskih kvazidelcev v posebni vrsti kvantnega magneta, rutenijevega triklorida. O obstoju teh delcev so poročali v prestižni reviji Nature Physics.

Ker so anyoni zelo stabilni delci, odkritje slovenskih fizikov predstavlja korak proti uresničitvi topološkega kvantnega računalnika, ki po navedbah IJS predstavlja sveti gral tehnologije prihodnosti.

Tovrsten kvantni računalnik po besedah vodje raziskovalne skupine odseka za fiziko trdne snovi na IJS Martina Klanjška že izdeluje Microsoft, a na podlagi drugačne vrste anyonov, ki so za razliko od anyonov raziskovalcev IJS težje dostopni. "Želimo si, da bi s tem člankom rutenijev triklorid postal realna alternativa za osnovo topološkega kvantnega računalnika," je za STA povedal Klanjšek.

Pred štirimi desetletji je Nobelov nagrajenec Frank Wilczek razmišljal o nenavadnih delcih, ki ne bi bili niti fermioni niti bozoni, pač pa karkoli vmes, angleško "any", zaradi česar jim je nadel ime anyoni. Vsi doslej v naravi zaznani delci namreč pripadajo bodisi skupini fermionov bodisi bozonov.

Nove delce je razen v naravi, kjer so lahko prosti, mogoče iskati tudi v snovi. Ker v tem primeru niso prosti, pač pa so vezani na snov, jim pravimo kvazidelci.

Rusko-ameriški fizik Alexei Kitaev je leta 2006 v izjemno odmevnem članku napovedal, da bi lahko anyonski kvazidelci obstajali v posebni vrsti ravninskega kvantnega magneta s šestkotno mrežo.

Nekaj doslej znanih primerov takšnega kvantnega magneta so raziskovalci uspeli ustvariti šele v zadnjih letih. Najobetavnejšega med njimi, rutenijev triklorid, so fiziki po svetu zavzeto proučevali zadnja tri leta, predvsem z namenom, da bi kot prvi potrdili ali ovrgli obstoj anyonov.

Kot je dejal Klanjšek, je šlo za zelo ostro bitko, v katero se je pred enim letom vključila tudi skupina slovenskih fizikov, ki ji je potrditev obstoja anyonov v rutenijevem trikloridu uspela. Po navedbah IJS jim je potrditev uspela, ker so "rezultate svojih meritev znali razumeti na povsem nov in dotlej neuporabljen način".

Po uspešnem dokazu teh nenavadnih delcev raziskovalci že načrtujejo nove raziskave. "Zdaj, ko vemo, da ti anyoni obstajajo, je potrebno z njimi nekaj narediti, začeti z njimi manipulirati, kar nas bo zaposlovalo naslednje desetletje," je pojasnil Klanjšek.

Anyoni so sicer privlačni predvsem zato, ker jih je mogoče med seboj zvezovati na enak način, kot je mogoče med seboj zvezovati vrvi, da nastanejo vozli. Ker so kvantni pojavi v splošnem zelo občutljivi na motnje, so vozli kot topološko stabilne tvorbe v kvantni fiziki zelo iskani. Še več, vozli imajo spomin in z njihovo pomočjo je mogoče izvajati kvantne logične operacije.

Zaradi te svoje stabilnosti so anyoni pomembni za razvoj kvantnega računalništva. Vozel namreč lahko uporabijo kot bit informacije. Takšen bit bo obstojen in s časom ne bo razpadel. Glavna težava kvantnega računalništva je namreč ravno neobstojnost kvantnih stanj pri končnih temperaturah in pri slabi izolaciji kvantnega sistema od okolice.

Poleg Klanjška skupino slovenskih raziskovalcev z IJS, ki so sodelovali v raziskavi, sestavljajo še Nejc Janša, Andrej Zorko, Matjaž Gomilšek in Matej Pregel.