Запуская 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, сообщает «live science».
Новая фаза материи, созданная с помощью лазеров для ритмического 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 удерживать данные в течение длительного времени, не искажаясь.
Включение теоретического «дополнительного» измерения времени «является совершенно другим способом мышления о фазах материи», — говорится в заявлении ведущего автора Филиппа Думитреску, исследователя из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона в Нью-Йорке. «Я работаю над этими теоретическими идеями более пяти лет, и видеть, как они действительно реализуются в экспериментах, захватывающе».
Физики не собирались создавать фазу с теоретическим дополнительным измерением времени, и они не искали метод, позволяющий лучше хранить квантовые данные. Вместо этого они были заинтересованы в создании новой фазы материи — новой формы, в которой материя может существовать, за пределами стандартного твердого тела, жидкости, газа, плазмы.
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. Благодаря причудливым законам квантового мира кубиты могут существовать в комбинации или суперпозиции как 0, так и 1 состояний до момента их измерения, на котором они случайным образом коллапсируют в 0 или 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». Запутанность связывает два или более кубитов друг с другом, соединяя 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 увеличивая их вычислительную мощность по сравнению с классическими устройствами.
Но развитие квантовых компьютеров сдерживается большим недостатком: кубиты не просто взаимодействуют и запутываются друг с другом; поскольку они не могут быть полностью изолированы от окружающей среды вне квантового компьютера, они также взаимодействуют с внешней средой, 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 потерять свою «квантовость», разговаривая с окружающей средой, нагреваясь или взаимодействуя с вещами способами, которые вы не планировали», — сказал Думитреску.
Идея о том, что законы физики одинаковы для объекта в любой момент времени или пространства. Как жидкость, молекулы в воде следуют одним и тем же физическим законам в каждой точке пространства и во всех направлениях. Но если вы охладите воду настолько, что она превратится в лед, ее молекулы будут выбирать правильные точки вдоль кристаллической структуры или решетки, чтобы расположиться поперек. Внезапно молекулы воды предпочитают занимать точки в пространстве, 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 с этой новой фазой симметрия нарушается не в пространстве, а во времени.
Это привело их к последовательности Фибоначчи, в которой следующее число последовательности создается путем сложения двух предыдущих.
Эта пульсация Фибоначчи создала временную симметрию, которая, подобно квазикристаллу в пространстве, была упорядочена, никогда не повторяясь. И так же, как квазикристалл, импульсы Фибоначчи также выдавливают рисунок более высокой размерности на поверхность более низкого измерения. В случае пространственного квазикристалла, такого как плитка Пенроуза, срез пятимерной решетки проецируется на двумерную поверхность. Глядя на паттерн импульса Фибоначчи, мы видим, что две теоретические временные симметрии сглаживаются в одну физическую.
«Система по существу получает бонусную симметрию из несуществующего измерения дополнительного времени», — пишут исследователи в заявлении. Система предстает 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. Действительно, они создали фазу, которая была невосприимчива к декогеренции гораздо дольше, чем другие.
«С этой квазипериодической последовательностью происходит сложная эволюция, которая сводит на нет все ошибки, которые живут на грани», — сказал Думитреску. «Из-за этого край остается квантово-механически когерентным намного, намного дольше, чем вы ожидаете».
Хотя физики достигли своей цели, остается одно препятствие для того, чтобы сделать их фазу полезным инструментом для квантовых программистов: интегрировать ее с вычислительной стороной квантовых вычислений, чтобы ее можно было вводить с помощью вычислений.
«У нас есть это прямое, дразнящее приложение, но нам нужно найти способ включить его в расчеты», - сказал Думитреску. «Это открытая проблема, над которой мы работаем».