В графене нашли частицы, которые помнят прошлое состояние
Ученые из Института науки Вейцмана (WIS) опубликовали в журнале Nature результаты, которые показывают, что квантовые частицы в двухслойном графене способны хранить информацию о своих прошлых состояниях. Исследователи отследили циклические колебания дробного заряда и обнаружили, что он возвращается с устойчивым интерференционным ритмом. Эти данные подтверждают гипотезу о когерентной памяти квантовых систем и дают надежду на создание квантовых устройств, способных работать вне идеальных условий.
Как частицы «помнят» прошлое
Ключевыми фигурами здесь являются неабелевские анионы — особые квантовые частицы, существующие только в двумерной системе. Когда такие частицы меняются местами, их волновые функции взаимодействуют особым образом.
«В неабелевых анионах обмен положениями оставляет отпечаток на волновой функции», — поясняет физик-теоретик доктор Юваль Ронен.
В отличие от обычных частиц, которые просто двигаются и теряют следы своих взаимодействий, неабелевские анионы сохраняют информацию о порядке всех предыдущих обменов. Это похоже на рельсовый состав: даже если один вагон слегка смещается, общая последовательность сохраняется. В графене такой «след» записывается не локально, а в глобальной топологической структуре системы. Именно поэтому информация устойчиво сохраняется даже при вибрациях, дефектах или колебаниях напряжения.
Эксперимент: половина электрона
Исследователи использовали петлю в графеновой структуре, заданную логическим элементом, где сопротивление устройства регулярно возрастало и падало. При экстремально низких температурах и сильных магнитных полях электроны образовывали структуры, несущие дробный заряд. Этот эффект известен как дробный квантовый «эффект Холла», впервые описанный в 1982 году, когда электроны вдоль краев ведут себя как меньшие заряды.
В одном из экспериментов команда Ронена зафиксировала необычный сигнал, соответствующий «половине электрона».
«Мы наблюдали долю электрона с четным знаменателем», — отметил Ронен.
Это указывало на коллективное движение двух частиц, которые оставались связанными, но не были физически объединены. Их взаимодействие с волновой функцией петли создавало интерференционный паттерн — усиление или взаимную компенсацию сигналов — что позволяло фиксировать состояние частиц на предыдущих циклах.
Как работает квантовая интерференция
В квантовой физике частицы ведут себя как волны, а их состояние описывает волновая функция. Когда петля разделяла волну и затем объединяла ее, два пути либо усиливали, либо компенсировали друг друга, создавая колебания сопротивления. Эффект Ахаронова-Бома, вызванный магнитным потоком, задавал ритм этих колебаний. Постоянство закономерности позволяло определить не только наличие дробного заряда, но и его движение в петле.
Изменяя напряжение, исследователи фактически меняли «население» электронов внутри ловушки из графена. Когда внутри оказывались частицы с дробным зарядом, они начинали влиять на путь других квантовых волн. Это сдвигало интерференционную картину и меняло сопротивление — знак того, что частицы ведут себя не как обычные электроны, а как экзотические квантовые объекты с памятью о своем прошлом состоянии.
Память, встроенная в топологию
Для неабелевских анионов порядок обмена имеет ключевое значение. Каждая перестановка переписывает топологическую структуру всей системы, и информация о прошлых состояниях сохраняется в волновой функции.
«Информация хранится не локально, а в глобальной форме системы, что делает ее устойчивой к дефектам и вибрациям», — поясняет Ронен.
Это свойство делает такие частицы уникальными для квантовых вычислений. Большинство кубитов традиционных квантовых компьютеров основаны на локальных состояниях, легко подверженных шуму. Неабелевские анионы позволяют создавать логические элементы, которые сохраняют порядок и данные даже вне идеальных условий, не требуя сверхнизких температур или полной изоляции.
Перспективы для технологий
Команда WIS продолжает работу по контролю обменов частиц и выделению отдельных неабелевских анионов, чтобы проверить, как их перестановки влияют на волновую функцию всей системы. Эти эксперименты могут стать фундаментом для создания квантовых устройств с долговременной памятью, устойчивых к шуму и внешним колебаниям.
«Мы показали, что в двухслойном графене почти наверняка присутствуют неабелевские анионы», — подытожил Ронен.
Если исследователи смогут управлять этими обменами, коррекция ошибок в квантовых компьютерах станет проще, а информация будет надежно храниться даже в сложных условиях.
