Mærkelig ny fase af stof skabt i kvantecomputeren virker som om den har to tidsdimensioner

Ved at aflyse en laserpulssekvens inspireret af Fibonacci-tallene ved atomer inde i en kvantecomputer, har fysikere skabt en bemærkelsesværdig, aldrig før set fase af stof. Fasen har fordelene ved to tidsdimensioner på trods af, at der stadig kun er ét enkelt tidsforløb, rapporterer fysikerne den 20. juli i Nature .

Denne tankevækkende egenskab tilbyder en efterspurgt fordel:Information lagret i fasen er langt mere beskyttet mod fejl end med alternative opsætninger, der i øjeblikket bruges i kvantecomputere. Som et resultat kan informationen eksistere uden at blive forvansket i meget længere tid, en vigtig milepæl for at gøre kvanteberegning levedygtig, siger studieleder Philipp Dumitrescu.

Tilgangens brug af en "ekstra" tidsdimension "er en helt anden måde at tænke faser af stof på," siger Dumitrescu, der arbejdede på projektet som forsker ved Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics i New York City. "Jeg har arbejdet på disse teoriideer i over fem år, og det er spændende at se dem blive virkeliggjort i eksperimenter."

Dumitrescu stod i spidsen for undersøgelsens teoretiske komponent med Andrew Potter fra University of British Columbia i Vancouver, Romain Vasseur fra University of Massachusetts, Amherst og Ajesh Kumar fra University of Texas i Austin. Eksperimenterne blev udført på en kvantecomputer ved Quantinuum i Broomfield, Colorado, af et hold ledet af Brian Neyenhuis.

Arbejdshestene i holdets kvantecomputer er 10 atomære ioner af et grundstof kaldet ytterbium. Hver ion holdes individuelt og styres af elektriske felter produceret af en ionfælde og kan manipuleres eller måles ved hjælp af laserimpulser.

Hver af disse atomære ioner tjener som det, forskerne kalder en kvantebit eller "qubit". Mens traditionelle computere kvantificerer information i bits (hver repræsenterer et 0 eller et 1), udnytter de qubits, der bruges af kvantecomputere, kvantemekanikkens mærkelighed til at gemme endnu mere information. Ligesom Schrödingers kat er både død og levende i sin æske, kan en qubit være et 0, et 1 eller en mashup – eller "superposition" – af begge. Den ekstra informationstæthed og den måde, hvorpå qubits interagerer med hinanden, lover at give kvantecomputere mulighed for at tackle beregningsproblemer langt uden for konventionelle computeres rækkevidde.

Der er dog et stort problem:Ligesom et kig i Schrödingers æske forsegler kattens skæbne, så gør interaktion med en qubit det. Og den interaktion behøver ikke engang at være bevidst. "Selv hvis du holder alle atomerne under stram kontrol, kan de miste deres kvantitet ved at tale med deres omgivelser, varme op eller interagere med ting på måder, du ikke har planlagt," siger Dumitrescu. "I praksis har eksperimentelle enheder mange fejlkilder, der kan forringe sammenhængen efter blot et par laserimpulser."

Udfordringen er derfor at gøre qubits mere robuste. For at gøre det kan fysikere bruge "symmetrier", i det væsentlige egenskaber, der holder til forandring. (Et snefnug har for eksempel rotationssymmetri, fordi det ser ens ud, når det drejes 60 grader.) En metode er at tilføje tidssymmetri ved at sprænge atomerne med rytmiske laserimpulser. Denne tilgang hjælper, men Dumitrescu og hans samarbejdspartnere spekulerede på, om de kunne gå længere. Så i stedet for kun én tidssymmetri, sigtede de på at tilføje to ved at bruge ordnede, men ikke-gentagende laserimpulser.

Den bedste måde at forstå deres tilgang på er ved at overveje noget andet ordnet, men ikke-gentaget:"kvasikrystaller." En typisk krystal har en regelmæssig, gentagende struktur, ligesom sekskanterne i en honningkage. En kvasikrystal har stadig orden, men dens mønstre gentager sig aldrig. (Penrose flisebelægning er et eksempel på dette.) Endnu mere forbløffende er, at kvasikrystaller er krystaller fra højere dimensioner projiceret eller presset ned i lavere dimensioner. Disse højere dimensioner kan endda være ud over det fysiske rums tre dimensioner:En 2D Penrose flisebelægning, for eksempel, er en projiceret udsnit af et 5-D gitter.

For qubits foreslog Dumitrescu, Vasseur og Potter i 2018 skabelsen af ​​en kvasikrystal i tid frem for rum. Mens en periodisk laserpuls ville veksle (A, B, A, B, A, B osv.), skabte forskerne en kvasi-periodisk laserpuls-kur baseret på Fibonacci-sekvensen. I en sådan sekvens er hver del af sekvensen summen af ​​de to foregående dele (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA osv.). Dette arrangement, ligesom en kvasikrystal, er bestilt uden at blive gentaget. Og i lighed med en kvasikrystal er det et 2D-mønster sammenpresset i en enkelt dimension. Den dimensionelle fladning resulterer teoretisk i to tidssymmetrier i stedet for kun én:Systemet får i det væsentlige en bonussymmetri fra en ikke-eksisterende ekstra tidsdimension.

Faktiske kvantecomputere er dog utroligt komplekse eksperimentelle systemer, så om de fordele, som teorien lovede, ville bestå i qubits i den virkelige verden, forblev ubevist.

Ved hjælp af Quantinuums kvantecomputer satte eksperimentalisterne teorien på prøve. De pulserede laserlys på computerens qubits både periodisk og ved hjælp af sekvensen baseret på Fibonacci-tallene. Fokus var på qubits i hver ende af 10-atom lineup; det var her, forskerne forventede at se den nye fase af stof opleve to tidssymmetrier på én gang. I den periodiske test forblev kant-qubits kvante i omkring 1,5 sekunder - allerede en imponerende længde, da qubitsene interagerede stærkt med hinanden. Med det kvasi-periodiske mønster forblev qubits kvante i hele eksperimentets længde, omkring 5,5 sekunder. Det er fordi den ekstra tidssymmetri gav mere beskyttelse, siger Dumitrescu.

"Med denne kvasi-periodiske sekvens er der en kompliceret evolution, der annullerer alle de fejl, der lever på kanten," siger han. "På grund af det forbliver kanten kvantemekanisk sammenhængende meget, meget længere, end du ville forvente."

Selvom resultaterne viser, at den nye fase af stof kan fungere som langsigtet lagring af kvanteinformation, skal forskerne stadig funktionelt integrere fasen med den beregningsmæssige side af kvanteberegning. "Vi har denne direkte, fristende applikation, men vi er nødt til at finde en måde at tilslutte det til beregningerne," siger Dumitrescu. "Det er et åbent problem, vi arbejder på." + Udforsk yderligere

Fordobling af Cooper-par for at beskytte qubits i kvantecomputere mod støj