ฟิโบนาชี่แอนยอน
ในฟิสิกส์สสารควบแน่นอนุภาค แอนิออนฟิ โบนาชชี เป็น อนุภาคแอนิออนชนิดหนึ่ง ที่อยู่ใน ระบบที่มีการเรียงตัวเชิงทอพอโลยีแบบสองมิติ อนุภาค แอนิออนฟิโบนาชชีมีลักษณะเด่นเฉพาะตัวคือ ตรงที่ตรงตามกฎการหลอมรวมอีกทางเลือกหนึ่ง Fibonacci anyon สามารถกำหนดได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ามันถูกอธิบายทางพีชคณิตโดยวัตถุที่เรียบง่ายที่ไม่ธรรมดาเพียงหนึ่งเดียวในหมวดหมู่ Fibonacci [ 1 ] [ 2 ]
จากการทดลอง มีการเสนอว่าอนุภาคแอนยอนฟิโบนาชชีอาจมีอยู่ในระบบควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนโดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความเป็นไปได้ที่อนุภาคแอนยอนฟิโบนาชชีจะปรากฏอยู่ในระบบที่มีแฟคเตอร์การเติมเต็ม[ 3 ]
Fibonacci anyons ได้รับการพัฒนาขึ้นเป็นหลักในบริบทของการคำนวณควอนตัมเชิงทอพอโลยี [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 1 ] ทั้งนี้เนื่องจาก anyons เหล่านี้อนุญาตให้มีการคำนวณควอนตัมสากลโดยอาศัยการถักเปียและการวัดประจุเชิงทอพอโลยีอย่างสมบูรณ์ และด้วยเหตุนี้จึงเป็นสภาพแวดล้อมที่เป็นธรรมชาติสำหรับการคำนวณควอนตัมเชิงทอพอโลยี ซึ่งแตกต่างจาก anyons ที่อิงตาม ทฤษฎีเกจแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งต้องใช้ ancillasที่ละเอียดอ่อนกว่าในการคำนวณควอนตัมสากล[ 8 ] [ 2 ]
หมวดหมู่ฟิโบนาชชี
ในทางคณิตศาสตร์ Fibonacci anyons ถูกระบุโดยข้อเท็จจริงที่ว่ามันถูกอธิบายโดยหมวดหมู่ Fibonacci ซึ่ง เป็น หมวดหมู่เทนเซอร์แบบโมดูลาร์บางอย่างเนื่องจากการเชื่อมโยงกับทฤษฎีสนามควอนตัมและโครงสร้างที่เรียบง่ายเป็นพิเศษ หมวดหมู่ Fibonacci จึงเป็นหนึ่งในหมวดหมู่เทนเซอร์แบบโมดูลาร์กลุ่มแรกๆ ที่ได้รับการพิจารณา[ 9 ]มันได้รับการพัฒนาในช่วงต้นทศวรรษ 2000 โดยMichael Freedman , Zhenghan WangและMichael Larsenในบริบทของการคำนวณควอนตัมเชิงทอพอโลยีผ่าน Fibonacci anyons [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 7 ] [ 1 ]คำว่า 'หมวดหมู่ Fibonacci' ถูกบัญญัติโดยGreg Kuperbergโดยอ้างอิงถึงข้อเท็จจริงที่ว่ากฎการหลอมรวมของมันถูกอธิบายโดยตัวเลข Fibonacci [ 10 ]
หมวดหมู่ฟิโบนาชชีกำหนดไว้ดังนี้[ 13 ]เซตของวัตถุง่ายๆ ของมีขนาดสอง และใช้สัญลักษณ์แทนด้วยกฎการหลอมรวมที่ไม่ธรรมดาของมันกำหนดโดยกฎการหลอมรวมอื่นๆ ได้แก่และค่าการบิดคือและสัญลักษณ์ R คือ,, และสัญลักษณ์ F ที่ไม่ใช่ศูนย์ทั้งหมดจะมีค่าเท่ากับ 1 ยกเว้นสัญลักษณ์, ;\tau ,1}^{\tau ,\tau ,\tau }=F_{\tau ;1,\tau }^{\tau ,\tau ,\tau }=\varphi ^{-1/2}} และ ;\tau ,\tau }^{\tau ,\tau ,\tau }=-\varphi ^{-1}} โดยที่คืออัตราส่วนทองคำ
คุณสมบัติทางพีชคณิต
ลำดับฟิโบนาชี่มีคุณสมบัติทางพีชคณิตที่น่าสนใจหลายประการ
- สืบหาร่องรอยของตัวตนจึงได้มาซึ่งสูตรที่ไหนมิติควอนตัมของเนื่องจากลำดับฟิโบนาชชีเป็นแบบเอกภาพ มิติควอนตัมทั้งหมดจึงเป็นบวก และด้วยเหตุนี้คืออัตราส่วนทองคำซึ่งเป็นคำตอบบวกเพียงหนึ่งเดียวของสมการเป็นทฤษฎีบทที่กล่าวว่าวัตถุง่ายใด ๆ ในหมวดหมู่เทนเซอร์โมดูลาร์เอกภาพที่มีมิติควอนตัมพอใจจะต้องอยู่ในรูปแบบสำหรับบางคน[ 14 ]ทฤษฎีบทนี้สอดคล้องกับหมวดหมู่ฟิโบนาชชีเนื่องจาก.
- หมวดหมู่ฟิโบนาชชีเป็นหมวดหมู่เทนเซอร์โมดูลาร์เอกภาพที่ไม่ซ้ำกันซึ่งมีวัตถุเชิงเดี่ยวที่ไม่ธรรมดาเพียงหนึ่งเดียว โดยที่วัตถุที่ไม่ธรรมดานี้ไม่เป็นแบบอาเบเลียน (ในแง่ที่ว่ามิติควอนตัมของมันมากกว่าหนึ่ง) มีหมวดหมู่เทนเซอร์โมดูลาร์เอกภาพอีกหมวดหมู่หนึ่งที่มีวัตถุเชิงเดี่ยวที่ไม่ธรรมดาเพียงหนึ่งเดียว ซึ่งรู้จักกันในชื่อหมวดหมู่เซมิออน แต่ว่าวัตถุที่ไม่ธรรมดาของมันเป็นอาเบเลียน[ 13 ]
- มีความสัมพันธ์แบบหลอมรวม, ที่ไหนคือลำดับฟิโบนาชชีที่ n ซึ่งปรับให้เป็นค่ามาตรฐานแล้วและ. ที่นี่,แสดงถึงผลคูณเทนเซอร์แบบทวีคูณของด้วยตัวมันเอง และแสดงถึงผลรวมโดยตรงแบบทวีคูณของกับตัวมันเอง ความสัมพันธ์นี้สามารถพิสูจน์ได้โดยใช้การเหนี่ยวนำแบบง่าย ความสัมพันธ์นี้เองที่ทำให้หมวดหมู่ฟิโบนาชชีได้รับชื่อ[ 15 ]
ความสัมพันธ์กับทฤษฎีสนามควอนตัมเชิงทอพอโลยี
ในบริบทของทฤษฎีสนามควอนตัมเชิงทอพอโลยีหมวดหมู่ฟิโบนาชชีสอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัมเชิร์น-ไซมอนส์ที่มีกลุ่มเกจที่ระดับ[ 10 ]เนื่องจากเป็นปกคู่ของหรืออีกนัยหนึ่ง หมวดหมู่ฟิโบนาชชีสามารถอธิบายได้ว่าเป็นภาคส่วนคู่ในทฤษฎีเชิร์น-ไซมอนส์ที่มีกลุ่มเกจที่ระดับ[ 16 ]
จากมุมมองนี้ เราสามารถมองเห็นความเชื่อมโยงระหว่างแอนยอนฟิโบนาชชีและ พหุ นามโจนส์โดยใช้เทคนิคคลาสสิกของเอ็ดเวิร์ด วิตเทน [ 17 ] ในบทความสำคัญปี 1989 ของเขา วิตเทนได้แสดงให้เห็นว่าการเชื่อมโยงและตัวแปรแมนิโฟลด์ของทฤษฎีควอนตัมเชอร์น-ไซมอนส์ที่มีกลุ่มเกจมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพหุนามโจนส์ที่ประเมินค่าณ รากที่ 1เนื่องจากหมวดหมู่ฟิโบนาชชีมีความสัมพันธ์กับทฤษฎี Chern–Simons นี้ให้ความสัมพันธ์ระหว่างหมวดหมู่ Fibonacci และพหุนาม Jones
ข้อคิดสำคัญประการหนึ่งของไมเคิล ฟรีดแมนในปี 1997 คือการเปรียบเทียบผลลัพธ์ของวิทเทนกับข้อเท็จจริงที่ว่าการประเมินพหุนามโจนส์ที่การหาค่ารากที่ n ของเอกภาพเป็นปัญหาที่ยากต่อการคำนวณ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การประเมินค่าพหุนามโจนส์อย่างแม่นยำนั้นเป็นปัญหา#P-complete เมื่อใดก็ตามที่และ[ 18 ]และการให้ ค่า ประมาณแบบบวกของพหุนามโจนส์เป็นBQP-สมบูรณ์เมื่อใดก็ตามที่และ [ 7 ] [ 19 ] [ 20 ] ภายใต้การติดต่อของวิทเทน ทฤษฎีฟิโบนาชชี (ที่เกี่ยวข้องกับที่ระดับ) เกี่ยวข้องกับพหุนามโจนส์ที่ประเมินค่าที่รากที่ 5 ของเอกภาพ ดังนั้นเมื่อใช้อย่างเหมาะสม จะช่วยให้สามารถแก้ปัญหาBQP-complete ได้
ความสัมพันธ์กับทฤษฎีขอบเขตของหยาง-ลี
หมวดหมู่โมดูลาร์ของฟิโบนาชชีเกี่ยวข้องกับแบบจำลองแยกต่างหากจากทฤษฎีสนามคอนฟอร์มอลที่ไม่เป็นเอกภาพ ซึ่งรู้จักกันในชื่อทฤษฎีหยาง-ลี[ 21 ] [ 22 ]ทฤษฎีนี้อธิบายพฤติกรรมของแบบจำลองไอซิง สองมิติ ใน เฟส พาราแมกเนติกที่ ค่า จินตนาการวิกฤตของสนามแม่เหล็กจอห์น คาร์ดีแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีหยาง-ลีมีสนามหลักสองสนาม ซึ่งแสดงด้วยและและเพื่อให้สอดคล้องกับความสัมพันธ์การหลอมรวมที่ไม่ธรรมดา[ 23 ]นี่คือความสัมพันธ์การหลอมรวมแบบเดียวกันของหมวดหมู่ฟิโบนาชชี ทฤษฎีหยาง-ลีเกี่ยวข้องกับ ทฤษฎีสนามคอน ฟอร์มอลที่ไม่เป็นเอกภาพและด้วยเหตุนี้จึงสอดคล้องกับหมวดหมู่เทนเซอร์โมดูลาร์ที่ ไม่เป็นเอกภาพ [ 13 ]
แม้ว่าจะมีกฎการหลอมรวมเหมือนกัน แต่หมวดหมู่เทนเซอร์แบบโมดูลาร์ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎี Yang–Lee ก็ไม่เหมือนกับหมวดหมู่โมดูลาร์ของ Fibonacci ความแตกต่างระหว่างสองหมวดหมู่นี้อยู่ที่กฎการเชื่อมโยงและการถักทอ ความสัมพันธ์ระหว่างสองทฤษฎีนี้คือทฤษฎี Yang–Lee เป็นคู่ควบ Galoisของทฤษฎี Fibonacci [ 13 ]กล่าวคือ มีออโตมอร์ฟิ ซึมอยู่ :{\overline {\mathbb {Q} }}\to {\overline {\mathbb {Q} }}} อาศัยอยู่ในกลุ่มกาโลอิสสัมบูรณ์ของจำนวนตรรกยะโดยที่การประยุกต์ใช้ข้อมูลทั้งหมดของทฤษฎีฟิโบนาชชีจะกู้คืนข้อมูลของทฤษฎีหยาง-ลีได้ ซึ่งหมายความว่าสำหรับสัญลักษณ์ F ใดๆหรือสัญลักษณ์ Rตามทฤษฎีฟิโบนาชชี สัญลักษณ์ F หรือสัญลักษณ์ R ที่สอดคล้องกันในทฤษฎีหยาง-ลี คือหรือ.
ความสัมพันธ์กับพหุนามโจนส์
หมวดหมู่ฟิโบนาชชีมีความเกี่ยวข้องกับวงเล็บคอฟฟ์แมนโดยข้อเท็จจริงที่ว่าค่าคงที่เรเชติคิน-ทูราเยฟของลิงก์แบบมีกรอบที่เชื่อมโยงกับเท่ากับวงเล็บ Kauffmanที่มีพารามิเตอร์[ 10 ] [ 12 ] [ 1 ] [ 15 ]เนื่องจากวงเล็บ Kauffman เกี่ยวข้องกับพหุนาม Jones ผ่านการเปลี่ยนแปลงการ ทำให้เป็นมาตรฐาน จึงมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดระหว่างกันด้วยและพหุนามโจนส์
ความเข้าใจเชิงเทคนิคที่เชื่อมโยงตัวแปรคงที่ของลิงก์ที่มีกรอบที่เกี่ยวข้องในวงเล็บ Kauffman นั้นมีมิติที่ต่ำของปริภูมิ hom ในหมวดหมู่ Fibonacci ซึ่งบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของความสัมพันธ์เชิงเส้นจำนวนมากระหว่างมอร์ฟิซึมต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปริภูมิ homเป็นสองมิติเนื่องจากเมื่อใช้เทคนิคมาตรฐานในการคำนวณสัมประสิทธิ์ จะพบว่าความสัมพันธ์เชิงเส้นต่อไปนี้เป็นจริง:

สิ่งนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับความสัมพันธ์แบบ Skein ทั่วไป สำหรับวงเล็บ Kauffman โดยที่.

ในฐานะค่าคงที่ที่ขยายออกไป
เนื่องจากการมีอยู่ของมอร์ฟิซึมหมวดหมู่ฟิโบนาชชีโดยธรรมชาติยังเอื้อต่อการกำหนดตัวแปรคงที่ของการวางนัยทั่วไปของลิงก์ที่อนุญาตให้มี จุดยอด ระดับ 3 ("การแตกแขนง") [ 24 ]ตัวแปรคงที่เหล่านี้ยังสามารถกำหนดได้โดยใช้ความสัมพันธ์ Skein แบบทั่วไป[ 15 ] [ 24 ]ในการทำเช่นนี้ จะต้องเลือกมอร์ฟิซึมที่โดดเด่นบางอย่างและดังแสดงในภาพด้านล่าง

การเลือกมอร์ฟิซึมที่โดดเด่นเหล่านี้เพื่อให้

ดังนั้น ความสัมพันธ์แบบ Skein ทั่วไปต่อไปนี้จึงเป็นจริง:

โปรดทราบว่าในการสร้างค่าคงที่ทางโทโพโลยี ที่เหมาะสม จำเป็นต้องติดตามโครงสร้างเพิ่มเติมบนลิงก์ เช่น การวางแนวบนเส้นใย[ 24 ]
วิธีการสำหรับการคำนวณควอนตัมสากล
ขั้นตอนการประมวลผลควอนตัมสากลด้วยแอนยอนฟิโบนาชชีสามารถอธิบายได้ดังนี้[ 6 ] [ 7 ] [ 2 ]ขั้นแรก จะได้รับอินสแตนซ์ของปัญหาการตัดสินใจซึ่งอยู่ในคลาสความซับซ้อนBQP (เช่น จำนวนเต็มขนาดใหญ่ที่ต้องการหาการแยกตัวประกอบ) เนื่องจากปัญหาการประมาณค่าบวกของการทำให้เป็นมาตรฐานของพหุนามโจนส์ที่รากที่สามของเอกภาพนั้นสมบูรณ์ BQP [ 25 ]ซึ่งหมายความว่าตามคำจำกัดความจะมีอัลกอริทึมแบบคลาสสิกในเวลาพหุนามสำหรับการนำวงจรควอนตัม ที่มีประสิทธิภาพใดๆ มากำหนดลิงก์แบบเฟรมให้กับวงจรนั้น เพื่อให้การประมาณค่าบวกของตัวแปรโจนส์ (หรือจริงๆ แล้วคือวงเล็บ Kauffman) ของลิงก์นั้นได้รับการประเมินที่เข้ารหัสวิธีการแก้ปัญหาการตัดสินใจ ตัวอย่างเช่น การใช้ขั้นตอนดังกล่าวอัลกอริทึมของ Shorสำหรับการแยกตัวประกอบจำนวนเต็มจะสอดคล้องกับลิงก์ขนาดใหญ่บางส่วน เพื่อเชื่อมโยงวงเล็บ Kauffman ของลิงก์นี้ที่ประเมินค่า ณในโลกแห่งความเป็นจริงทางกายภาพ เราจะนำวัสดุบางอย่างที่บรรจุอนุภาคฟิโบนาชชีแอนยอนมาทำการสร้าง ถักทอ และหลอมรวมกันเป็นชุดๆ จนกระทั่ง วิถี โคจรของอนุภาคฟิโบนาชชีแอนยอนในกระบวนการนี้ก่อให้เกิดการเชื่อมโยงที่ได้จากขั้นตอนก่อนหน้า จากนั้นเราจะทำการทดลองนี้ซ้ำหลายๆ ครั้งในเชิงพหุนาม และบันทึกความน่าจะเป็นที่การวัดการหลอมรวมทั้งหมดส่งผลให้เกิดภาคสุญญากาศ คุณสมบัติทางพีชคณิตของหมวดหมู่ฟิโบนาชชีบ่งชี้ว่าความน่าจะเป็นนี้มีค่าโดยประมาณเท่ากับวงเล็บคอฟฟ์แมนที่ประเมินค่า ณ จุดนั้นโดยการปรับค่าให้เป็นมาตรฐานด้วยกำลังของอัตราส่วนทองคำ ด้วยโครงสร้างนี้ จึงมีอัลกอริธึมแบบคลาสสิกที่ใช้เวลาในการคำนวณแบบพหุนามสำหรับการนำค่าประมาณนี้ไปใช้เพื่อหาผลลัพธ์ของปัญหาการตัดสินใจดั้งเดิมด้วยความน่าจะเป็นสูง (ตัวอย่างเช่น ในกรณีของการแยกตัวประกอบ อัลกอริธึมนี้จะใช้ตัวเลขของค่าประมาณของวงเล็บ Kauffman ที่เป็นมาตรฐานเพื่อกู้คืนการแยกตัวประกอบของจำนวนเต็มที่ป้อนเข้ามา) ขั้นตอนการทำงานนี้แสดงไว้ด้านล่าง

ความเป็นสากลที่มีประสิทธิภาพ: การรวบรวมแบบถักเปีย
ปริภูมิสถานะฮิลเบิร์ตทั้งหมดของชุดแอนยอนฟิโบนาชี่ไม่ใช่ผลคูณเทนเซอร์ของระบบย่อยที่แท้จริง ซึ่งสามารถเห็นได้ง่ายจากข้อเท็จจริงที่ว่ามิติของปริภูมิสถานะดังกล่าวเป็นจำนวนในลำดับฟิโบนาชชี สำหรับแต่ละมีต้นไม้ฟิวชั่นแอนยอนิกที่เหมาะสมซึ่งทำให้การกระทำตามธรรมชาติของกลุ่มการถักเปียที่สอดคล้องกันไม่สามารถลดทอนได้ในและหนาแน่นใน.
อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงที่ว่าใดๆสามารถประมาณได้ด้วยการถักเปียแบบแอนิโอนิก ซึ่งมีลักษณะเป็นแบบมีอยู่จริง และสามารถลดทอนให้ใช้งานได้จริงก็ต่อเมื่อมีชุดอัลกอริธึมการสังเคราะห์เปียแบบคลาสสิกเท่านั้น อัลกอริธึมดังกล่าวสำหรับโดยอิงตามแนวทาง Monte Carlo ได้รับการพัฒนาใน[ 16 ]วิธีการ Monte Carlo ที่เสนอไม่คำนึงถึงโครงสร้างพีชคณิตของเมทริกซ์ถักเปีย และในขณะที่รักษาความเป็นทั่วไปที่เหมาะสม วิธีการเหล่านี้ก็ยังไม่เหมาะสมที่สุดทั้งในแง่ของเวลาการทำงานแบบคลาสสิกและความลึกของเปียที่คอมไพล์แล้ว อัลกอริทึมของ[ 26 ]ได้รับข้อมูลจากคุณสมบัติทางทฤษฎีจำนวนของการแสดงกลุ่มเปียแอนยอนิกที่เฉพาะเจาะจงสำหรับแอนยอนฟิโบนาชชี อัลกอริทึมดังกล่าวให้เปียที่คอมไพล์แล้วที่มีความลึกที่เหมาะสมที่สุดในเชิงอะซิมโทติกและมีเวลาการทำงานแบบคลาสสิกพหุนามที่เหมาะสมที่สุด