Дивна нова фаза матерії діє так, ніби має два часові виміри

Опромінюючи послідовність лазерних імпульсів, навіяну числами Фібоначчі, на атоми всередині квантового комп’ютера, фізики створили дивовижну, ніколи раніше не бачену фазу матерії. Фаза має переваги двох часових вимірів, незважаючи на те, що все ще існує лише один окремий потік часу, повідомляють фізики в Nature.

Ця приголомшлива властивість пропонує бажану перевагу: інформація, що зберігається у фазі, набагато краще захищена від помилок, ніж альтернативні налаштування, які зараз використовуються в квантових комп’ютерах. У результаті інформація може існувати без спотворення набагато довше, що дозволить зробити квантові обчислення життєздатними, каже провідний автор дослідження Філіп Думітреску (Philipp Dumitrescu).

Робочими конячками квантового комп’ютера команди були 10 атомних іонів ітербія. Кожен іон окремо утримується та контролюється електричними полями, створеними іонною пасткою, і ними можна маніпулювати або вимірювати за допомогою лазерних імпульсів.

Кожен із цих атомарних іонів служить кубітом. Кубіти використовують незвичайність квантової механіки для зберігання ще більше інформації. Подібно до того, як кіт Шредінгера живий і мертвий у своїй коробці, кубіт може бути 0, 1 або суперпозицією обох. Така додаткова щільність інформації та те, як кубіти взаємодіють один з одним, обіцяють, що квантові комп’ютери зможуть вирішувати обчислювальні проблеми, які далеко не під силу звичайним комп’ютерам.

Однак є велика проблема: так само, як заглядання в коробку Шредінгера вирішує долю кота, так само взаємодія з кубітом. І ця взаємодія навіть не має бути навмисною. «Навіть якщо ви тримаєте всі атоми під суворим контролем, вони можуть втратити свою кількісність, спілкуючись з навколишнім середовищем, нагріваючись або взаємодіючи з речами непланованими способами», — говорить Думітреску.

Отже, завдання полягає в тому, щоб зробити кубіти більш надійними. Для цього фізики можуть використовувати «симетрії», по суті властивості, які витримують зміни. Одним із методів є додавання часової симетрії шляхом опромінювання атомів ритмічними лазерними імпульсами. Такий підхід допомагає, але Думітреску та його співробітники задалися питанням, чи можуть вони піти далі. Тож замість однієї часової симетрії вони прагнули додати дві, використовуючи впорядковані, але неповторювані лазерні імпульси.

Найкращий спосіб зрозуміти їхній підхід — розглянути щось інше впорядковане, але неповторюване: «квазікристали». Квазікристал все ще має порядок, але його візерунки ніколи не повторюються. Мозаїка Пенроуза є одним із прикладів цього.

Мозаїка Пенроуза є типом квазікристала, що означає, що він має впорядковану, але ніколи не повторювану структуру. Візерунок, що складається з двох фігур, є двовимірною проекцією 5D квадратної решітки.

Для кубітів Думітреску, Роман Вассер (Romain Vasseur) і Ендрю Поттер (Andrew Potter) у 2018 р. запропонували створити квазікристал у часі, а не в просторі. Тоді як періодичний лазерний імпульс чергувався (A, B, A, B, A, B тощо), дослідники створили квазіперіодичний режим лазерного імпульсу на основі послідовності Фібоначчі. У такій послідовності кожна частина послідовності є сумою двох попередніх частин (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA тощо). Це розташування, як і квазікристал, впорядковане без повторення. І, схоже на квазікристал, це двовимірний візерунок, здавлений в одному вимірі. Це розмірне зведення теоретично призводить до двох часових симетрій замість однієї: система, по суті, отримує бонусну симетрію від неіснуючого додаткового часового виміру.

Фактичні квантові комп’ютери є неймовірно складними експериментальними системами, тому залишається недоведеним, чи будуть переваги, обіцяні теорією, тривати в кубітах реального світу.

Використовуючи квантовий комп’ютер Quantinuum, дослідники перевірили теорію. Вони імпульсували лазерне світло на кубіти комп’ютера як періодично, так і використовуючи послідовність, засновану на числах Фібоначчі. У центрі уваги були кубіти на обох кінцях лінійки з 10 атомів; саме там дослідники очікували побачити нову фазу матерії, яка відчуває дві часові симетрії одночасно. У періодичному тесті крайові кубіти залишалися квантовими приблизно 1,5 секунди — це вже вражаюча тривалість, враховуючи, що кубіти сильно взаємодіяли один з одним. З квазіперіодичною схемою кубіти залишалися квантовими протягом усієї тривалості експерименту, близько 5,5 секунд. Це тому, що додаткова часова симетрія забезпечила більше захисту, каже Думітреску.

У цьому квантовому комп’ютері фізики створили небачену раніше фазу матерії, яка діє так, ніби час має два виміри. Ця фаза може допомогти захистити квантову інформацію від знищення набагато довше, ніж сучасні методи

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365