חוקרים הוכיחו כיצד ניתן לתמרן השפעות טופולוגיות במוצק שנבנה באופן מלאכותי באמצעות שדות מגנטיים כדי להפעיל או לכבות אינטראקציות בין חלקיקים, מה שעלול לסלול את הדרך להתקדמות בטכנולוגיות קוונטיות. הניסויים שלהם, שכללו שאיבה טופולוגית במערכות של אטומי אשלגן פרמיוניים קרים הכלואים בסריגים שנוצרו בלייזר, הראו שמערכות אלו יכולות להעביר חלקיקים בצורה איתנה בכיוונים הניתנים לחיזוי, גם כאשר נתקלים במחסומים שהופכים את תנועתם.
באופן כללי, מומלץ לא להשוות תפוחים לתפוזים. עם זאת, בתחום הטופולוגיה, ענף במתמטיקה, השוואה זו הכרחית. תפוחים ותפוזים, מסתבר, אומרים שהם זהים מבחינה טופולוגית מכיוון שלשניהם אין חור – בניגוד לסופגניות או כוסות קפה, למשל, שלשניהם יש אחת (הידית במקרה של הכוס) ומכאן , שווים מבחינה טופולוגית.
בצורה מופשטת יותר, למערכות קוונטיות בפיזיקה יכולות להיות גם טופולוגיה ספציפית של תפוח או סופגניה, המתבטאת במצבי אנרגיה ובתנועה של חלקיקים. חוקרים מתעניינים מאוד במערכות כאלה, שכן הטופולוגיה שלהן הופכת אותן לחסינות בפני אי סדר והשפעות מטרידות אחרות, שקיימות תמיד במערכות פיזיקליות טבעיות.
הדברים נעשים מעניינים במיוחד אם, בנוסף, החלקיקים במערכת כזו מתקשרים, כלומר הם מושכים או דוחים זה את זה, כמו אלקטרונים במוצקים. לימוד טופולוגיה ואינטראקציות יחד במוצקים, לעומת זאת, הוא קשה ביותר. צוות חוקרים ב-ETH בראשות טילמן אסלינגר הצליח כעת לזהות השפעות טופולוגיות במוצק מלאכותי, שבו ניתן להפעיל או לכבות את האינטראקציות באמצעות שדות מגנטיים. התוצאות שלהם, שהתפרסמו זה עתה בכתב העת המדעי מַדָעיוכל לשמש בטכנולוגיות קוונטיות בעתיד.
הובלה לפי טופולוגיה
Zijie Zhu, דוקטורנט במעבדה של אסלינגר והמחבר הראשון של המחקר, ועמיתיו בנו את המוצק המלאכותי באמצעות אטומים קרים במיוחד (אטומי אשלגן פרמיוניים), שנלכדו בסריגים מחזוריים מרחביים באמצעות קרני לייזר. קרני לייזר נוספות גרמו לרמות האנרגיה של אתרי סריג סמוכים לנוע מעלה ומטה מעת לעת, ללא סנכרון זה ביחס לזה. לאחר זמן מה, מדדו החוקרים את מיקומם של האטומים בסריג, בתחילה ללא אינטראקציות בין האטומים. בניסוי זה הם הבחינו שטופולוגיית הסופגנייה של מצבי האנרגיה גרמה להעברת החלקיקים על ידי אתר סריג אחד, תמיד באותו כיוון, בכל חזרה של המחזור.
תוצאות חוקרי ה-ETH כהומאז' לאנדי וורהול. התמונה מציגה את תוצאות הניסוי של שאיבה טופולוגית. קרדיט: Quantum Optics Group / ETH ציריך
"אפשר לדמיין את זה כפעולה של בורג", אומר קונרד ויבאן, פוסט-דוקטורט בכיר בצוות של אסלינגר. תנועת ההברגה היא סיבוב בכיוון השעון סביב צירו, אך הבורג עצמו נע בכיוון קדימה כתוצאה מכך. בכל סיבוב, הבורג מתקדם למרחק מסוים, שאינו תלוי במהירות שבה מסובבים את הבורג. התנהגות כזו, המכונה גם שאיבה טופולוגית, אופיינית למערכות טופולוגיות מסוימות.
אבל מה אם הבורג פוגע במכשול? בניסוי של חוקרי ETH, המכשול הזה היה קרן לייזר נוספת שהגבילה את חופש התנועה של האטומים בכיוון האורך. לאחר כ-100 סיבובים של הבורג, האטומים נתקלו בקיר, כביכול. באנלוגיה ששימשה לעיל, הקיר מייצג טופולוגיה של תפוח בה לא יכולה להתבצע שאיבה טופולוגית.
חזרה מפתיעה
באופן מפתיע, האטומים לא פשוט נעצרו בקיר, אלא הסתובבו פתאום. הבורג נע אפוא לאחור, למרות שהוא המשיך להיות מסובב עם כיוון השעון. אסלינגר וצוותו מסבירים את החזרה הזו על ידי שתי טופולוגיות הסופגניות הקיימות בסריג – אחת עם סופגניה המסתובבת עם כיוון השעון ועוד אחת שמסתובבת בכיוון ההפוך. בקיר, האטומים יכולים להשתנות מטופולוגיה אחת לאחרת, ובכך להפוך את כיוון התנועה שלהם.
כעת הפעילו החוקרים אינטראקציה דוחה בין האטומים וצפו במתרחש. שוב, הייתה להם הפתעה: האטומים הסתובבו כעת במחסום בלתי נראה עוד לפני שהגיעו לקיר הלייזר. "באמצעות חישובי מודל, הצלחנו להראות שהמחסום הבלתי נראה נוצר על ידי האטומים עצמם באמצעות הדחייה ההדדית שלהם", מסבירה סטודנטית לדוקטורט אן-סופי וולטר.
קוביט מהיר למחשבים קוונטים
"עם התצפיות הללו, עשינו צעד גדול לקראת הבנה טובה יותר של מערכות טופולוגיות המקיימות אינטראקציה", אומר Esslinger, שחוקר השפעות כאלה במסגרת מענק מתקדם של הקרן הלאומית למדע השוויצרית (SNF). כשלב הבא, הוא רוצה לבצע ניסויים נוספים כדי לחקור האם הבורג הטופולוגי חזק כצפוי ביחס לאי-סדר, וכיצד האטומים מתנהגים בשני ממדים מרחביים.
ל- Esslinger יש גם כמה יישומים מעשיים בראש. למשל, הובלת אטומים או יונים בשאיבה טופולוגית יכולה לשמש ככביש מהיר של קיוביט כדי לקחת את הקיוביטים (סיביות קוונטיות) במחשבים קוונטיים למקומות הנכונים מבלי לחמם אותם או להפריע למצבם הקוונטי.
