Эта странная новая фаза материи, кажется, занимает 2 временных измерения

Новая фаза материи была обнаружена в квантовом компьютере после того, как физики направили свет на его кубиты по схеме, вдохновленной последовательностью Фибоначчи.

Если вы думаете, что это ошеломляет, эта странная причуда квантовая механика ведет себя так, как если бы у нее было два временных измерения, а не одно; эта черта, по словам ученых, делает кубиты более надежными, способными оставаться стабильными на протяжении всего эксперимента.

Эта стабильность называется квантовой когерентностью, и это одна из основных целей безошибочного квантового компьютера — и одна из самых труднодостижимых.

Работа представляет собой « совершенно другой способ думать о фазах материи», — говорит специалист по вычислительной квантовой физике Филипп Думитреску из Института Флэтайрона, ведущий автор новой статьи, описывающей это явление.

«Я работал над этими теоретическими идеями. уже более пяти лет, и наблюдать за тем, как они на самом деле реализуются в экспериментах, очень интересно».

Квантовые вычисления основаны на кубитах, квантовом эквиваленте вычислительных битов. Однако, когда биты обрабатывают информацию в одном из двух состояний, 1 или 0, кубиты могут находиться в обоих одновременно, состояние, известное как квантовая суперпозиция.

Математическая природа этой суперпозиции может быть невероятно мощной из-за вычислительной точки зрения, что позволяет быстро решать проблемы при правильных обстоятельствах.

Но размытая, неопределенная природа ряда кубитов также зависит от того, как их нерешенные состояния соотносятся друг с другом — отношение, называемое запутанностью.

К сожалению, кубиты могут запутаться практически с чем угодно в своем окружении, внося ошибки. Чем деликатнее размытое состояние кубита (или чем больше хаоса в его окружении), тем выше риск потери этой когерентности.

Улучшение когерентности до уровня жизнеспособности, вероятно, является многотактическим. подход к устранению значительного препятствия, стоящего на пути функционального квантового компьютера – каждая мелочь имеет значение.

«Даже если вы держите все атомы под жестким контролем, они могут потерять свою квантовость, поговорив с их окружение, нагревание или взаимодействие с вещами способами, которые вы не планировали», — объяснил Думитреску.

«На практике экспериментальные устройства имеют много источников ошибок, которые могут ухудшить когерентность уже после нескольких лазерных импульсов. «

Обеспечение симметрии может быть одним из способов защиты кубитов от декогеренции. Поверните старый добрый квадрат на девяносто градусов, и он по-прежнему будет иметь ту же форму. Эта симметрия защищает его от определенных вращательных эффектов.

Прикосновение к кубитам равномерно распределенными лазерными импульсами гарантирует наличие симметрии, основанной не на пространстве, а на времени. Думитреску и его коллеги хотели знать, смогут ли они усилить этот эффект, добавив не симметричную периодичность, а асимметричную квазипериодичность.

Это, по их теории, добавит не одну временную симметрию, а две; один фактически спрятан внутри другого.

Идея была основана на более ранней работе группы, которая предложила создать нечто, называемое квазикристаллом, во времени, а не в пространстве. Если кристалл состоит из симметричной решетки атомов, которая повторяется в пространстве, как квадратная сетка в спортивном зале или соты, то структура атомов на квазикристалле неповторяющаяся, как мозаика Пенроуза, но все же упорядоченная.

Команда провела свой эксперимент на передовом коммерческом квантовом компьютере, разработанном Quantinuum, компанией, занимающейся квантовыми вычислениями. Этот зверь использует для своих кубитов 10 атомов иттербия (один из предпочтительных элементов для атомных часов). Эти атомы удерживаются в электрической ионной ловушке, из которой можно использовать лазерные импульсы для контроля или измерения их.

Думитреску и его коллеги создали последовательность лазерных импульсов на основе чисел Фибоначчи, где каждый сегмент представляет собой сумму из двух предыдущих сегментов. В результате получается последовательность, которая упорядочена, но не повторяется, как квазикристалл.

Квазикристаллы можно математически описать как низкоразмерные сегменты многомерных решеток. Плитку Пенроуза можно описать как двумерный срез пятимерного гиперкуба.

Точно так же лазерные импульсы команды можно описать как одномерное представление двумерного узора. . Теоретически это означало, что он потенциально может наложить на кубиты две временные симметрии.

Команда проверила свою работу, вспыхнув лазером на массиве иттербиевых кубитов, сначала в симметричной последовательности, а затем квазипериодически. Затем они измерили когерентность двух кубитов на обоих концах ловушки.

Для периодической последовательности кубиты были стабильны в течение 1,5 секунд. Для квазипериодической последовательности они оставались стабильными в течение 5,5 секунд — продолжительности эксперимента.

По словам исследователей, дополнительная временная симметрия добавила еще один уровень защиты от квантовой декогеренции.

«С этой квазипериодической последовательностью происходит сложная эволюция, которая устраняет все ошибки, существующие на краю», — сказал Думитреску.

«Из-за этого край остается квантово-механически когерентным во многом, во многом. дольше, чем вы ожидаете».

Работа еще не готова к интеграции в функциональные квантовые компьютеры, но, по словам исследователей, она представляет собой важный шаг к этой цели.

Исследование опубликовано в журнале Nature.