Атомы, взорванные лазером Фибоначчи, создают двумерное время

Лазерный импульс Фибоначчи, направленный на атомы внутри квантового компьютера, создал странную двумерную фазу материи, которая не подчиняется обычным законам физики: она ведет себя так, как будто имеет два измерения времени.

Физики создали ранее неизвестную фазу материи, используя последовательность лазерных импульсов. Числа Фибоначчи. Физики сообщают в Природа 20 июля 2022 г., что фаза имеет два временных измерения, несмотря на то, что имеет только один единственный поток времени.

По сравнению с другими настройками квантового компьютера, это умопомрачительное свойство делает информацию, хранящуюся в фазе, более устойчивой к ошибкам.

По словам ведущего автора исследования Филиппа Думитреску, его результат делает квантовые вычисления жизнеспособными, продлевая срок службы информации, не влияя на ее качество.

Использование «дополнительного» временного измерения меняет наше представление о фазах материи. — говорит Думитреску, научный сотрудник Института Флэтайрон..

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

Аджеш Кумар из Техасского университета в Остине и Эндрю Поттер из Университета Британской Колумбии в Ванкувере совместно работали над теоретической частью исследования. Брайан Нейенхейс возглавлял команду Quantinuum в Брумфилде, штат Колорадо, которая проводила эксперименты над квантовым компьютером.

Элемент под названием иттербий является рабочей лошадкой квантового компьютера команды. Лазерные импульсы можно использовать для манипулирования или измерения отдельных ионов, удерживаемых электрическими полями, создаваемыми ионной ловушкой.

Атомные ионы служат квантовыми битами, которые ученые называют кубитами. В то время как обычные компьютеры хранят информацию в битах (каждый из которых представляет 0 или 1), квантовые компьютеры хранят еще больше информации, используя странность квантовой механики.

Кубит может быть либо 0, либо 1, точно так же, как кот Шредингера может быть и мертвым, и живым. Из-за этой дополнительной плотности информации и того, как взаимодействуют кубиты, квантовые компьютеры способны решать вычислительные задачи, которые не могут решить обычные компьютеры.

Взаимодействие с кубитом имеет те же последствия, что и заглядывание в ящик Шредингера: оно решает судьбу кота.

Даже если это не преднамеренно, взаимодействие все равно может произойти. Думитреску говорит, что даже если вы держите атомы под жестким контролем, они могут потерять свою квантовость, общаясь с окружающей средой, нагреваясь или взаимодействуя с вещами неожиданным образом.

«На практике экспериментальные устройства имеют много источников ошибок, которые могут ухудшить когерентность уже после нескольких лазерных импульсов».

Таким образом, сделать кубиты более надежными — сложная задача. Чтобы добиться этого, физики могут использовать симметрии, то есть свойства, устойчивые к изменениям. Примером вращательной симметрии является снежинка, которая выглядит одинаково под углом 60 градусов.

Один из методов включает взрыв атомов ритмичными лазерными импульсами для добавления временной симметрии. Стремясь сделать этот подход более эффективным, Думитреску и его сотрудники изучили способы сделать его более эффективным. Используя упорядоченные, но не повторяющиеся лазерные импульсы, они стремились добавить двухвременную симметрию вместо одной.

Легкий способ понять их подход — рассмотреть что-то еще, что повторяется, но не хорошо упорядочено: квазикристаллы. Большинство кристаллов состоят из правильных, повторяющихся форм, таких как шестиугольники в сотах.

Несмотря на порядок, узоры квазикристалла никогда не повторяются.

Это можно увидеть в мозаике Пенроуза. А квазикристалл это кристалл из более высоких измерений, спроецированный в более низкое измерение.

Эти высшие измерения могут выходить за пределы трех измерений физического пространства: плитки Пенроуза можно рассматривать как срезы пятимерных решеток.

По словам Думитреску, Вассера и Поттера, в 2018 году кубиты можно будет смоделировать как квазикристаллы во времени, а не в пространстве.

Исследователи создали квазипериодический режим лазерных импульсов на основе последовательности Фибоначчи вместо чередующихся периодических импульсов (A, B, A, B, A, B и т. д.).
Каждая часть такой последовательности является комбинацией двух ее предыдущих частей (А, АВ, АВА, АВААВ, АБААБАБА и т. д.).

Подобно квазикристаллу, это расположение упорядочено без повторений. Подобно квазикристаллу, это одномерное представление двумерного паттерна. В результате выравнивания измерений системе даются две временные симметрии вместо одной: системе дается другое измерение времени, которого не существует.

Тем не менее, квантовые компьютеры остаются чрезвычайно сложными экспериментальными системами, поэтому пока неизвестно, сохранятся ли преимущества теории в реальных кубитах.

Экспериментаторы проверили теорию, используя квантовый компьютер Quantinuum. Периодически и с использованием последовательностей Фибоначчи лазерный свет пульсировал на кубитах компьютера.

Ожидалось, что на любом конце цепочки из 10 атомов новая фаза материи одновременно будет испытывать две временные симметрии.

Из-за сильного взаимодействия между краевыми кубитами краевые кубиты оставались квантовыми в течение примерно 1,5 секунд в периодическом тесте.

В результате квазипериодического паттерна кубиты оставались квантовыми в течение примерно 5,5 секунд эксперимента. По словам Думитреску, дополнительная временная симметрия обеспечивала большую защиту.

В этой квазипериодической последовательности все ошибки на границе компенсируются сложной эволюцией.

«Из-за этого край остается квантово-механически когерентным намного, намного дольше, чем вы ожидаете», — сказал исследователь.

Было обнаружено, что новая фаза материи может хранить квантовую информацию в течение длительного времени, но исследователям все еще необходимо интегрировать ее с вычислительной частью квантовых вычислений.