space

Ученые взрывают атомы лазером Фибоначчи, чтобы создать «дополнительное» измерение времени

Запустив лазерный импульс Фибоначчи в атомы внутри квантового компьютера, физики создали совершенно новую, странную фазу материи, которая ведет себя так, как будто у нее есть два измерения времени. Новая фаза материи, созданная с помощью лазеров для ритмичного покачивания нити из 10 ионов иттербия, позволяет ученым хранить информацию гораздо более защищенным от ошибок способом, тем самым открывая путь к квантовым компьютерам, которые могут хранить данные в течение длительного времени, не искажаясь.

Включение теоретического «дополнительного» временного измерения «является совершенно другим способом мышления о фазах материи», — заявил в своем заявлении ведущий автор Филипп Думитреску, исследователь из центра вычислительной квантовой физики института Флэтайрон в Нью-Йорке.

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

Физики не собирались создавать фазу с теоретическим дополнительным временным измерением и не искали способ лучшего хранения квантовых данных, а были заинтересованы в создании новой фазы материи — новой формы, в которой материя может существовать помимо стандартного твердого тела, жидкости, газа, плазмы.

Они приступили к созданию новой фазы квантового процессора H1 компании Quantinuum, который состоит из 10 ионов иттербия в вакуумной камере, которые точно контролируются лазерами в устройстве, известном как ионная ловушка. Обычные компьютеры используют биты, или 0 и 1, чтобы сформировать основу всех вычислений.

Квантовые компьютеры предназначены для использования кубитов, которые также могут существовать в состоянии 0 или 1. Но на этом сходство заканчивается. Причудливые законы квантового мира, кубиты могут существовать в комбинации или суперпозиции состояний 0 и 1 до момента их измерения, после чего они случайным образом коллапсируют либо в 0, либо в 1.

Это странное поведение является ключом к силе квантовых вычислений, поскольку оно позволяет кубитам связываться друг с другом через квантовую запутанность, процесс, который Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии» друг с другом, связывая их свойства так, что любое изменение в одной частице вызовет изменение в другой, даже если они разделены огромными расстояниями.

Это дает квантовым компьютерам возможность выполнять несколько вычислений одновременно, экспоненциально повышая их вычислительную мощность по сравнению с этим. классических устройств. Но развитие квантовых компьютеров сдерживается большим недостатком: кубиты не просто взаимодействуют и запутываются друг с другом; поскольку они не могут быть полностью изолированы от внешней среды вне квантового компьютера, они также взаимодействуют с внешней средой, таким образом заставляя их терять свои квантовые свойства и информацию, которую они несут, в процессе, называемом декогеренцией.

«Даже если вы держите все атомы под жестким контролем, они могут использовать свою «квантовую природу», разговаривая с окружающей средой, переставая нагреваться или взаимодействуя с вещами не так, как вы планировали», — сказал Думитреску. Чтобы обойти эти надоедливые эффекты декогеренции и создать новую, стабильную фазу, физики обратились к специальному набору фаз, называемых топологическими фазами.

Квантовая запутанность не только позволяет квантовым устройствам кодировать информацию через единичные статические положения кубитов, но и также вплетать их в динамические движения и взаимодействия всего материала — в саму форму или топологию запутанных состояний материала.

Это создает «топологический» кубит, который кодирует информацию в форме, образованной несколькими частями, а не одной частью. в одиночку, что делает фазу гораздо менее вероятной для потери информации. Ключевым признаком перехода из одной фазы в другую является нарушение физических симметрий — идея о том, что законы физики одинаковы для объекта в любой момент времени или пространства.

Как жидкость, молекулы воды следуют одним и тем же физическим законы в каждой точке пространства и во всех направлениях. Но если вы охладите воду настолько, что она превратится в лед, ее молекулы выберут правильные точки вдоль кристаллической структуры или решетки, чтобы расположиться поперек.

Внезапно молекулы воды предпочли точки в пространстве, чтобы занять, и они оставляют другие точки пустыми, пространственная симметрия воды была спонтанно нарушена. Создание новой топологической фазы внутри квантового компьютера также зависит от нарушения симметрии, но в этой новой фазе симметрия нарушается не в пространстве, а во времени.

Давая каждому иону в цепочке периодический толчок с помощью лазеров, физики хотели нарушить непрерывную временную симметрию покоящихся ионов и навязать свою собственную временную симметрию — при которой кубиты остаются неизменными через определенные промежутки времени — что создаст ритмическая топологическая фаза материала.

Но эксперимент провалился: вместо создания топологической фазы, невосприимчивой к эффектам декогеренции, обычные лазерные импульсы усиливали шум извне системы, уничтожая его менее чем через 1,5 секунды после включения.

После повторного рассмотрения эксперимента исследователи поняли, что для создания более надежной топологической фазы им потребуется завязать более одной временной симметрии в ионную нить, чтобы уменьшить шансы скремблирования системы.

Для этого они остановились на поиске паттерн пульса, который не повторялся просто и регулярно, но, тем не менее, демонстрировал некоторую более высокую симметрию во времени.

Это привело их к последовательности Фибоначчи, в которой следующее число последовательности создается путем добавления двух предыдущих, в то время как простой периодический лазерный импульс может просто чередоваться между двумя лазерными источниками (A, B, A, B, A, B и т. д.), вместо этого их новая последовательность импульсов

«Система, по сути, получает бонусную симметрию от несуществующего дополнительного временного измерения», — пишут исследователи в заявлении. Система выглядит как материал, который существует в каком-то более высоком измерении с двумя измерениями времени — даже если это может быть физически невозможно в реальности.

Когда команда протестировала его, новый квазипериодический импульс Фибоначчи создал топографическую фазу, которая защищала систему от потери данных в течение всех 5,5 секунд теста.Более того, они создали фазу, которая была невосприимчива к декогеренции гораздо дольше, чем другие.

«С этой квазипериодической последовательностью происходит сложная эволюция, которая устраняет все ошибки, которые живут на краю, — сказал Думитреску, — Благодаря этому край остается квантово-механически когерентным гораздо дольше, чем вы ожидаете.

» Хотя физики достигли своей цели, остается одно препятствие, чтобы сделать их фазу полезным инструментом для квантовых программистов: интегрировать ее с вычислительной частью квантовых вычислений, чтобы ее можно было вводить с помощью вычислений.

«У нас есть это прямое, заманчивое приложение, но нам нужно найти способ подключить его к расчетам, — сказал Думитреску. — Это открытая проблема, над которой мы работаем».

Поделиться с друзьями: