マヨラナフェルミ粒子に似た粒子が発見される!

マヨラーと間違えそうな、マヨラナ粒子ですが、そんなマヨラナ粒子に似た粒子がこの度、中国科学院量子情報重点実験室の研究者によって、発見されたそうです。マヨラナフェルミ粒子は、1937年に、物理学者エットーレ・マヨラナによって、最初に提唱されました。それらは自身が反粒子でもあるフェルミ粒子です。このフェルミ粒子は、超伝導材料と位相的量子計算の研究には不可欠です。しかし、80年経っても、科学者は、マヨラナ素粒子を発見できていません。ニュートリノがマヨラナ粒子だという仮説が立てられていますが、この推測を支持する証拠は未だにありません。

ニュートリノがマヨラナ粒子だとしたら、それを使ってトポロジカル量子計算が可能になったり、超伝導材料の研究に不可欠になったりするのかと言うと、そうではないんでしょうね。非アーベルエニオンと一緒で、あくまでも仮説のフェルミ粒子(準粒子)なのかもしれないし、あるいは、本当にあるのかもしれませんが、モノポール(磁気単極子)や時間結晶みたいなものなのかもしれません。

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マヨラナゼロモード

Scientists discover particles similar to Majorana fermions

In condensed matter physics, scientists found that a particlular kind of quasiparticle—Majorana zero modes (MZMs)—have characteristics similar to Majorana fermions. Recently, a research team from the Key Laboratory of Quantum Information of the Chinese Academy of Sciences achieved the fabrication and manipulation of MZMs in an optical simulator.

「凝縮系物理学では、科学者は、特定種の準粒子、マヨラナゼロモード(MZMs)が、マヨラナフェルミ粒子に似た特徴を持つことを発見しています。最近では、中国科学院の研究者チームが、光学シミュレーターでMZMsの加工と操作に成功しています。」

マヨラナゼロモード、様態が準粒子のようです。リラクソンという新しい振動モード(様態)がフォノンという準粒子に代わって、グラフェンやグラフェンを使った新材料の熱伝導率を予測計算に使えるようですが、不思議なものです。

The team led by Professors LI Chuangfeng, XU Jinshi, and HAN Yongjian implemented the exchange of two MZMs such that the non-Abelian statistics of MZMs are supported. This work is published in Nature Communications on October 25th.

「中国科学院の研究チームは、MZMsの非アーベル的統計性が支持されるような2個のMZMsの交換を実施しました。この研究は、10月25日のNature Communications誌に掲載されています。」

アーベルエニオン

Generally, the statistics of the identical particles can be determined by their exchange characteristics. For example, the internal quantum states remain the same when two bosons are exchanged, and are imposed by a pi phase when two fermions are exchanged. The bosons and fermions belong to particles with more general statistics, called Abelian anyons. A global phase (not necessarily 0 or pi) is gained after the exchange of two identical Abelian anyons.

「一般的に、同一粒子の統計性は、それらの交換特性によって決定可能です。例えば、内部量子状態は、2個のボソンが交換された場合、同じ状態のままで、2個のフェルミ粒子が交換される場合、パイ相(pi相)で強いられます。ボソンとフェルミ粒子は、アーベル型エニオンと呼ばれる、より一般的統計性を持った粒子に属します。グローバル相(必ずしもゼロかパイではない)は、2個の同一アーベルエニオンの交換後に獲得されます。」

非アーベルエニオン

Moreover, there may exist some exotic particles, called non-Abelian anyons, which undertake a unitary transformation (not just a global phase) after exchange. The Majorana fermions with their own antiparticles are widely believed to be non-Abelian particles.

「さらに、交換後に、ユニタリ変換(グローバル相だけではなく)を始める非アーベルエニオンと呼ばれる、いくつかの新奇な粒子が存在する可能性があります。自身の反粒子を持つマヨラナフェルミ粒子は非アーベル型粒子だと広く信じられています。」

マヨラナ粒子がもしかしたら、マイクロソフトの研究者が、位相量子計算機に使おうとして探し求めている非アーベルエニオンなんでしょうか。

The research team took advantage of the quantum simulation approach: While the simulated system is not experimentally accessible with current technology, the quantum simulator and its measurement results provide information about the simulated system.

「研究チームは、量子シミュレーション法をうまく利用しました。疑似システムが、実験的に最新技術をもってしてもアクセス不可能な一方、量子シミュレータとそれの測定結果は、疑似システムについての情報を提供します。」

量子シミュレーターとかあるんですね。

キタエフ模型

In their work, they designed a set of dissipative processes that can effectively create and transfer the MZMs supported in the Kitaev model. The researchers then completed the exchange of two MZMs. The Berry phase the researchers measured during the exchange process supports the non-Abelian statistics of MZMs. Furthermore, they demonstrate that the information encoded in the MZMs is immune to local noises in the linear optical system.

「研究で、彼等は、キタエフ模型でサポートされたMZMsを効果的に作成・転送可能な散逸プロセスの設定をデザインしました。その後研究者は、2つのMZMsの交換を完遂しました。交換過程中に研究者が測定したベリー位相は、MZMsの非アーベル的統計性をサポートしています。さらに、彼等は、MZMsにエンコードされた情報が、線形光学系において、局所ノイズに影響されない事を実証しました。」

キタエフ模型とかラビ模型とか、何でモデルとは訳さないのか不思議です。キタエフ模型は、スピン1/2を持った量子スピンが2次元の蜂の巣格子上でイジング的な相互作用をした単純な模型のようです。ベリー位相は、仮想的磁場をもたらす量子力学的位相だそうです。

The method established here provides a novel way to study quantum statistics, topological quantum computation and the characteristics of MZMs. Moreover, this achievement establishes a promising platform to investigate the properties of the MZMs in complex architectures and topological quantum computation based on MZMs.

「ここで確立された方法は、量子統計、位相量子計算、マヨラナゼロモードの特徴を研究するための新しい道を提供しています。さらに、この成果が、複雑な構造におけるマヨラナゼロモードの性質とマヨラナゼロモードを基にしたトポロジカル量子計算を調査するための将来有望な土台を確立しています。」

マイクロソフトは、この非アーベルエニオンっぽい、マヨラナゼロモードを使ってトポロジカル量子コンピューターを開発すべきかもしれません。その方が開発が捗るし、位相量子計算機を本気で完成させたいなら、一番の近道でもあります。