کشف «نگلکتون»: ذره‌ای گمشده که رایانش کوانتومی را متحول می‌کند

نگلکتون: ذره‌ای که معادلات را تغییر می‌دهد

این ذره تازه که نگلکتون (Neglecton) نام گرفته، در ترکیب با ذرات ویژه‌ای به نام انیون‌های ایزینگ (Ising Anyons) قادر است محدودیت‌های موجود در محاسبات کوانتومی توپولوژیک را برطرف کند و زمینه را برای تحقق نسل جدیدی از رایانه‌های کوانتومی فراهم آورد. این کشف، پتانسیل عظیمی برای پیشرفت در حوزه‌هایی دارد که ابررایانه‌های کنونی نیز از حل مسائل آن‌ها عاجزند.

چالش شکنندگی رایانه‌های کوانتومی

رایانه‌های کوانتومی توانایی حل مسائلی را دارند که حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های امروزی قادر به انجام آن نیستند. با این حال، ناپایداری کیوبیت‌ها (واحد‌های بنیادین پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی) مانع بزرگی در مسیر توسعه این فناوری است. کیوبیت‌ها به شدت در برابر نویز محیطی حساس هستند و همین موضوع منجر به بروز خطا‌های سریع و انباشته در سیستم می‌شود.

یکی از رویکرد‌های امیدبخش برای غلبه بر این مشکل، رایانش کوانتومی توپولوژیک است. در این روش، اطلاعات کوانتومی در ویژگی‌های هندسی ذرات عجیب موسوم به انیون‌ها ذخیره می‌شود. این ذرات که وجودشان در مواد دوبعدی خاص پیش‌بینی شده، مقاومت بیشتری در برابر اغتشاشات محیطی دارند.

انیون‌های ایزینگ و نقش حیاتی نگلکتون

انیون‌های ایزینگ از مهم‌ترین نامزد‌ها برای پیاده‌سازی رایانه‌های کوانتومی توپولوژیک هستند و تاکنون در سامانه‌هایی مانند حالت کسری هال کوانتومی و ابررسانا‌های توپولوژیک مورد توجه جدی قرار گرفته‌اند. با این حال، این ذرات تنها قادر به انجام مجموعه‌ای محدود از عملیات موسوم به گیت‌های کلیفورد هستند و به تنهایی توان محاسباتی لازم برای یک رایانه کوانتومی همه‌منظوره را ندارند.

اکنون تیمی از ریاضی‌دانان و فیزیک‌دانان به سرپرستی آرون لائودا، استاد ریاضیات، فیزیک و اخترشناسی کالج دورنسایف USC، در پژوهشی منتشرشده در نشریه Nature Communications نشان داده‌اند که افزودن تنها یک ذره جدید، همان نگلکتون، می‌تواند توان محاسباتی ایزینگ‌ها را کامل کند. به این ترتیب، با وجود فقط یک نگلکتون ثابت و ایستا در کنار مجموعه‌ای از انیون‌های ایزینگ متحرک، می‌توان تمامی عملیات مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی جهان‌شمول را تنها با بافتن یا حرکت‌دادن این ذرات پیرامون یکدیگر انجام داد.

از «زباله ریاضی» تا «گنجینه کوانتومی»

این کشف بر پایه چارچوبی نوین در ریاضیات موسوم به نظریه‌های میدانی کوانتومی توپولوژیک غیرنیمه‌ساده (Non-Semisimple TQFTs) صورت گرفت. در مدل‌های سنتی، اجزایی با رد کوانتومی صفر به عنوان زائد و بی‌فایده حذف می‌شدند. اما پژوهشگران نشان دادند همین اجزای کنار گذاشته‌شده، همان حلقه مفقوده برای تکمیل جعبه‌ابزار محاسبات کوانتومی هستند.

لائودا در این باره می‌گوید: «این مثل پیدا کردن گنج در میان زباله‌های ریاضی است. ذره‌ای که همه آن را نادیده می‌گرفتند، اکنون به کلید اصلی برای محاسبات کوانتومی بدل شده است.»

مهار چالش‌های ریاضی و گامی به سوی آینده

البته این چارچوب جدید با مشکلاتی همراه بود؛ از جمله نقض اصل یگانگی (Unitarity) که تضمین‌کننده حفظ احتمال در مکانیک کوانتومی است. اما تیم USC با طراحی خاصی توانست بخش‌های نامنظم نظریه را ایزوله کند و محاسبات را تنها در نواحی پایدار انجام دهد.

لائودا این راه‌حل را چنین توضیح داد: «مثل خانه‌ای است که اتاق‌های ناپایدار دارد؛ به جای تعمیر همه اتاق‌ها، ما فقط در اتاق‌های مستحکم کار می‌کنیم و بقیه را دور از دسترس نگه می‌داریم.»

این دستاورد نشان می‌دهد که چگونه ساختار‌های ریاضی انتزاعی می‌توانند پاسخگوی مسائل مهندسی بسیار عملی باشند. اکنون مسیر‌های تازه‌ای برای پژوهش پیش‌روی دانشمندان قرار دارد؛ از گسترش این چارچوب به پارامتر‌های دیگر گرفته تا شناسایی مواد فیزیکی مناسب برای تحقق نگلکتون ایستا در آزمایشگاه.

به گفته لائودا: «هیجان‌انگیزترین بخش این است که ما به جهانی‌شدن محاسبات کوانتومی با ذراتی نزدیک شده‌ایم که همین حالا نیز می‌دانیم چگونه ایجادشان کنیم. اگر آزمایشگران موفق به یافتن بستری برای ظهور نگلکتون شوند، می‌توانند تمام توان محاسباتی انیون‌های ایزینگ را آزاد کنند.»

این مطالعه با همکاری فیلیپو ایولیانلی، سونگ کیم از USC و جاشوا سوسان از کالج مدگار اورز در دانشگاه شهری نیویورک انجام شد.