|
Странная новая фаза материи действует так, как будто она имеет два временных измерения
|
|
|
|
Направив последовательность лазерных импульсов, вдохновленную числами Фибоначчи, на атомы внутри квантового компьютера, физики создали замечательную, невиданную ранее фазу материи. Фаза имеет преимущества двух временных измерений, несмотря на то, что существует только один единый поток времени, сообщают физики 20 июля в журнале Nature. Это умопомрачительное свойство предлагает долгожданное преимущество: информация, хранящаяся в фазе, гораздо лучше защищена от ошибок, чем с альтернативными настройками, используемыми в настоящее время в квантовых компьютерах. В результате информация может существовать без искажений намного дольше, что является важной вехой на пути к жизнеспособности квантовых вычислений, говорит ведущий автор исследования Филипп Думитреску.
|
|
|
|
Использование в этом подходе «дополнительного» временного измерения «является совершенно другим способом мышления о фазах материи», — говорит Думитреску, который работал над проектом в качестве научного сотрудника Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона в Нью-Йорке. «Я работаю над этими теоретическими идеями более пяти лет, и наблюдать, как они на самом деле реализуются в экспериментах, очень интересно». Думитреску возглавил теоретическую часть исследования вместе с Эндрю Поттером из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Роменом Вассером из Массачусетского университета в Амхерсте и Аджешем Кумаром из Техасского университета в Остине. Эксперименты проводились на квантовом компьютере в Quantinuum в Брумфилде, штат Колорадо, группой под руководством Брайана Нейенхейса. Рабочими лошадками квантового компьютера команды являются 10 атомарных ионов элемента под названием иттербий. Каждый ион индивидуально удерживается и контролируется электрическими полями, создаваемыми ионной ловушкой, и им можно манипулировать или измерять с помощью лазерных импульсов.
|
|
|
Каждый из этих атомарных ионов служит тем, что ученые называют квантовым битом или «кубитом». В то время как традиционные компьютеры измеряют информацию в битах (каждый из которых представляет 0 или 1), кубиты, используемые квантовыми компьютерами, используют странность квантовой механики для хранения еще большего количества информации. Точно так же, как кот Шрёдингера жив и мёртв в своей коробке, кубит может быть 0, 1 или коллажем — или «суперпозицией» — того и другого. Эта дополнительная информационная плотность и то, как кубиты взаимодействуют друг с другом, обещают позволить квантовым компьютерам решать вычислительные задачи, выходящие за рамки досягаемости обычных компьютеров. Однако есть большая проблема: точно так же, как заглянув в ящик Шрёдингера, решается судьба кота, так же и взаимодействие с кубитом. И это взаимодействие даже не должно быть преднамеренным. «Даже если вы держите все атомы под жестким контролем, они могут потерять свою квантовость, разговаривая с окружающей средой, нагреваясь или взаимодействуя с вещами не так, как вы планировали», — говорит Думитреску. «На практике экспериментальные устройства имеют много источников ошибок, которые могут ухудшить когерентность уже после нескольких лазерных импульсов».
|
|
|
|
Поэтому задача состоит в том, чтобы сделать кубиты более надежными. Для этого физики могут использовать «симметрии», то есть свойства, которые можно изменить. (Снежинка, например, обладает вращательной симметрией, потому что она выглядит одинаково при повороте на 60 градусов.) Один из методов — добавление временной симметрии путем взрыва атомов ритмичными лазерными импульсами. Такой подход помогает, но Думитреску и его сотрудники задались вопросом, могут ли они пойти дальше. Таким образом, вместо одной временной симметрии они стремились добавить две, используя упорядоченные, но неповторяющиеся лазерные импульсы.
|
|
|
|
Лучший способ понять их подход — рассмотреть нечто еще упорядоченное, но неповторяющееся: «квазикристаллы». Типичный кристалл имеет правильную повторяющуюся структуру, подобную шестиугольникам в сотах. В квазикристалле все еще есть порядок, но его узоры никогда не повторяются. (Плитка Пенроуза — один из примеров этого.) Еще более ошеломляющим является то, что квазикристаллы — это кристаллы из более высоких измерений, спроецированные или сплющенные, в более низкие измерения. Эти более высокие измерения могут даже выходить за пределы трех измерений физического пространства: например, двухмерная мозаика Пенроуза представляет собой спроецированный фрагмент пятимерной решетки.
|
|
|
|
Что касается кубитов, Думитреску, Вассер и Поттер в 2018 году предложили создать квазикристалл во времени, а не в пространстве. В то время как периодический лазерный импульс чередовался (A, B, A, B, A, B и т. д.), исследователи создали квазипериодический режим лазерного импульса, основанный на последовательности Фибоначчи. В такой последовательности каждая часть последовательности является суммой двух предыдущих частей (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA и т. д.). Это расположение, как и квазикристалл, упорядочено без повторения. И, подобно квазикристаллу, это двухмерный узор, сжатый в одно измерение. Это выравнивание измерений теоретически приводит к двум временным симметриям вместо одной: система, по сути, получает дополнительную симметрию от несуществующего дополнительного временного измерения. Однако настоящие квантовые компьютеры представляют собой невероятно сложные экспериментальные системы, поэтому остается недоказанным, сохранятся ли преимущества, обещанные теорией, в кубитах реального мира.
|
|
|
|
Используя квантовый компьютер Quantinuum, экспериментаторы проверили теорию. Они посылали лазерный свет на кубиты компьютера как периодически, так и используя последовательность, основанную на числах Фибоначчи. Основное внимание уделялось кубитам на обоих концах линейки из 10 атомов; именно здесь исследователи ожидали увидеть новую фазу материи, испытывающую сразу две временные симметрии. В периодическом тесте крайние кубиты оставались квантовыми примерно 1,5 секунды — уже впечатляющее время, учитывая, что кубиты сильно взаимодействовали друг с другом. При квазипериодическом паттерне кубиты оставались квантовыми на протяжении всего эксперимента, около 5,5 секунд. Это потому, что дополнительная временная симметрия обеспечивала большую защиту, говорит Думитреску.
|
|
|
|
«С этой квазипериодической последовательностью происходит сложная эволюция, которая устраняет все ошибки, живущие на краю», — говорит он. «Из-за этого край остается квантово-механически когерентным намного, намного дольше, чем вы ожидаете». Хотя результаты показывают, что новая фаза материи может служить долгосрочным хранилищем квантовой информации, исследователям все еще необходимо функционально интегрировать эту фазу с вычислительной стороной квантовых вычислений. «У нас есть это прямое, заманчивое приложение, но нам нужно найти способ подключить его к вычислениям», — говорит Думитреску. «Это открытая проблема, над которой мы работаем».
|
|
|
|
Источник
|
