Чрез осветяване на атоми в квантов компютър с лазерни импулси, вдъхновени от числата на Фибоначи, физиците са създали забележителна, невиждана досега фаза на материята. Фазата има предимствата на две времеви измерения, въпреки че все още има само един единствен времеви поток, съобщават физици в Nature.

Това главозамайващо свойство предлага търсено предимство: информацията, съхранявана във фазата, е много по-защитена от грешки, отколкото при алтернативните конфигурации, използвани понастоящем в квантовите компютри. В резултат на това информацията може да съществува, без да се изкривява, много по-дълго, което е важен етап за превръщането на квантовите компютри в жизнеспособни, казва водещият автор на изследването Филип Думитреску (Philipp Dumitrescu).

Използването на "допълнително" измерение на времето в подхода "е напълно различен начин на мислене за фазите на материята", заявява Думитреску, който е работил по проекта като научен сътрудник в Центъра за компютърна квантова физика към Института "Флатирон" в Ню Йорк. "Работя върху тези теоретични идеи повече от пет години и да видя как те се реализират в експерименти е вълнуващо."

Експериментите са проведени на квантов компютър в Quantinuum в Брумфийлд, Колорадо.

Основните двигатели на квантовия компютър на екипа са 10 атомни йона на елемент, наречен итербий. Всеки йон се държи и контролира индивидуално от електрическите полета, създадени от йонен капан, и може да се манипулира или измерва с помощта на лазерни импулси.

Всеки от тези атомни йони служи за това, което учените наричат квантов бит или "кубит". Докато традиционните компютри измерват информацията в битове (всеки от които представлява 0 или 1), кубитите, използвани от квантовите компютри, използват странностите на квантовата механика, за да съхраняват още повече информация. Точно както котката на Шрьодингер е едновременно жива и мъртва в кутията си, един кубит може да бъде 0, 1 или смесица - или "суперпозиция" - от двете. Тази допълнителна плътност на информацията и начинът, по който кубитите взаимодействат помежду си, обещават да позволят на квантовите компютри да се справят с изчислителни проблеми, които са далеч отвъд възможностите на конвенционалните компютри.

Има обаче голям проблем: Точно както надникването в кутията на Шрьодингер предопределя съдбата на котката, така и взаимодействието с кубита. И дори не е необходимо това взаимодействие да е умишлено. "Дори ако държите всички атоми под строг контрол, те могат да загубят квантовите си свойства, докато контактуват с околната среда, нагряват се или взаимодействат с неща по начин, който не сте планирали", отбелязва Думитреску. "На практика експерименталните устройства имат много източници на грешки, които могат да влошат кохерентността само след няколко лазерни импулса."

Затова задачата е да се направят кубитите по-устойчиви. За целта физиците могат да използват "симетрии", по същество свойства, които издържат на промени. (Снежинката например има ротационна симетрия, защото изглежда по един и същи начин, когато се завърти на 60 градуса.) Един от методите е добавянето на времева симетрия чрез облъчване на атомите с ритмични лазерни импулси. Този подход помага, но Думитреску и неговите сътрудници се питат дали могат да отидат по-далеч. Затова вместо само една времева симетрия те се стремят да добавят две, като използват подредени, но неповтарящи се лазерни импулси.

В този квантов компютър физиците създават невиждана досега фаза на материята, която действа така, сякаш времето има две измерения. Фазата би могла да помогне за защита на квантовата информация от разрушаване за много по-дълъг период от сегашните методи. Кредит: Quantinuum

Най-добрият начин да разберем техния подход е като разгледаме нещо друго подредено, но неповтарящо се: " квазикристалите." Типичният кристал има редовна, повтаряща се структура, като шестоъгълниците в пчелна пита. Квазикристалът все още е подреден, но неговите модели никога не се повтарят. (Още по-удивително е, че квазикристалите са кристали от по-високи измерения, проектирани или смалени в по-ниски измерения. Тези по-високи измерения могат да бъдат дори извън трите измерения на физическото пространство: Например двуизмерната мозайка на Пенроуз е проектирано парче от 5-измерна решетка.

За кубитите Думитреску и екипът му предлагат през 2018 г. създаването на квазикристал във времето, а не в пространството. Докато периодичен лазерен импулс би се редувал (A, B, A, B, A, B и т.н.), изследователите създават квазипериодичен режим на лазерните импулси, основан на последователността на Фибоначи. В тази последователност всяка част от последователността е сума от двете предишни части (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA и т.н.). Тази подредба, подобно на квазикристала, е подредена, без да се повтаря. И подобно на квазикристала, това е двуизмерен модел, смачкан в едно измерение. Това сплескване на измеренията теоретично води до две времеви симетрии вместо само една: Системата по същество получава допълнителна симетрия от несъществуващо допълнително измерение на времето.

Реалните квантови компютри обаче са невероятно сложни експериментални системи, така че остава недоказано дали обещаните от теорията предимства ще се запазят в реалните кубити.

Използвайки квантовия компютър Quantinuum, експериментаторите подлагат теорията на проверка. Те подават лазерна светлина към кубитите на компютъра както периодично, така и чрез последователност, основана на числата на Фибоначи. Фокусът е бил върху кубитите в двата края на 10-атомната композиция. Именно там изследователите са очаквали да видят новата фаза на материята, изпитваща едновременно две времеви симетрии. При периодичния тест крайните кюбити остават квантови за около 1,5 секунди - вече впечатляваща продължителност, като се има предвид, че кубитите взаимодействат силно помежду си. При квазипериодичния модел кюбитите остават квантови за цялата продължителност на експеримента - около 5,5 секунди. Това е така, защото допълнителната времева симетрия осигурява по-голяма защита, смята Думитреску.

Реалните квантови компютри обаче са невероятно сложни експериментални системи, така че остава недоказано дали обещаните от теорията предимства ще се запазят в реалните кубити.

"При тази квазипериодична последователност има сложна еволюция, която анулира всички грешки, които живеят на ръба", разказва той. "Поради това ръбът остава квантово-механично кохерентен много, много по-дълго, отколкото бихте очаквали."

Въпреки че откритията показват, че новата фаза на материята може да действа като дългосрочна памет за квантова информация, изследователите все още трябва да интегрират функционално фазата с изчислителната страна на квантовите изчисления. "Имаме това директно, съблазнително приложение, но трябва да намерим начин да го вкараме в изчисленията", казва Думитреску. "Това е нерешен проблем, по който работим."

Справка: Philipp Dumitrescu, Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulator, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04853-4. www.nature.com/articles/s41586-022-04853-4