Направив последовательность лазерных импульсов, вдохновленных числами Фибоначчи, на атомы внутри квантового компьютера, физики создали замечательную, невиданную ранее фазу материи. Фаза обладает преимуществами двух временных измерений, несмотря на то, что по-прежнему существует только один сингулярный поток времени, сообщают физики 20 июля в журнале Nature.
Это ошеломляющее свойство дает желанное преимущество: информация, хранящаяся в фазе, гораздо лучше защищена от ошибок, чем при использовании альтернативных настроек, используемых в настоящее время в квантовых компьютерах. В результате информация может существовать без искажений гораздо дольше, что является важной вехой для обеспечения жизнеспособности квантовых вычислений, говорит автор исследования Филипп Думитреску.
Использование в этом подходе “дополнительного” измерения времени “- это совершенно другой способ мышления о фазах материи”, – говорит Думитреску, который работал над проектом в качестве научного сотрудника в Центре вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона в Нью-Йорке.
Думитреску возглавил теоретическую часть исследования вместе с Эндрю Поттером из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Романом Вассером из Массачусетского университета в Амхерсте и Аджешем Кумаром из Техасского университета в Остине. Эксперименты были проведены на квантовом компьютере в Quantinuum в Брумфилде, штат Колорадо, командой под руководством Брайана Нейенхейса.
Рабочими лошадками квантового компьютера команды являются 10 атомных ионов элемента под названием иттербий. Каждый ион индивидуально удерживается и контролируется электрическими полями, создаваемыми ионной ловушкой, и может управляться или измеряться с помощью лазерных импульсов.
Каждый из этих атомных ионов служит тем, что ученые называют квантовым битом, или “кубитом”. В то время как традиционные компьютеры определяют количество информации в битах (каждый из которых представляет 0 или 1), кубиты, используемые квантовыми компьютерами, используют странности квантовой механики для хранения еще большего количества информации. Точно так же, как кот Шредингера одновременно мертв и жив в своей коробке, кубит может быть 0, 1 или мэшапом — или “суперпозицией” — того и другого. Эта дополнительная плотность информации и то, как кубиты взаимодействуют друг с другом, обещают позволить квантовым компьютерам решать вычислительные задачи, далеко выходящие за рамки возможностей обычных компьютеров.
Однако есть большая проблема: точно так же, как заглядывание в коробку Шредингера решает судьбу кошки, так и взаимодействие с кубитом. И это взаимодействие даже не обязательно должно быть преднамеренным. “Даже если вы держите все атомы под жестким контролем, они могут потерять свою квантовость, общаясь с окружающей средой, нагреваясь или взаимодействуя с вещами так, как вы не планировали. На практике экспериментальные устройства имеют много источников ошибок, которые могут ухудшить когерентность всего после нескольких лазерных импульсов”. – говорит Думитреску.
Таким образом, задача состоит в том, чтобы сделать кубиты более надежными. Для этого физики могут использовать “симметрии”, по сути, свойства, которые могут изменяться. (Снежинка, например, обладает симметрией поворота, потому что она выглядит одинаково при повороте на 60 градусов.) Один из методов заключается в добавлении временной симметрии путем воздействия на атомы ритмичными лазерными импульсами. Такой подход помогает, но Думитреску и его сотрудники задавались вопросом, могут ли они пойти дальше. Поэтому вместо одной временной симметрии они стремились добавить две, используя упорядоченные, но неповторяющиеся лазерные импульсы.
В этом квантовом компьютере физики создали невиданную ранее фазу материи, которая действует так, как будто время имеет два измерения. Фаза может помочь защитить квантовую информацию от разрушения гораздо дольше, чем современные методы. Кредит: Quantinuum
Лучший способ понять их подход – рассмотреть что-то еще упорядоченное, но неповторяющееся: “квазикристаллы”. Типичный кристалл имеет правильную, повторяющуюся структуру, подобную шестиугольникам в сотах. В квазикристалле все еще есть порядок, но его узоры никогда не повторяются. (Плитка Пенроуза – один из примеров этого.) Еще более ошеломляющим является то, что квазикристаллы – это кристаллы из более высоких измерений, спроецированные или спрессованные в более низкие измерения. Эти более высокие измерения могут даже находиться за пределами трех измерений физического пространства: например, 2D-плитка Пенроуза представляет собой спроецированный срез 5-мерной решетки.
Для кубитов Думитреску, Вассер и Поттер предложили в 2018 году создать квазикристалл во времени, а не в пространстве. В то время как периодический лазерный импульс чередовался бы (A, B, A, B, A, B и т.д.), Исследователи создали квазипериодический режим лазерных импульсов, основанный на последовательности Фибоначчи. В такой последовательности каждая часть последовательности представляет собой сумму двух предыдущих частей (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA и т.д.). Это расположение, как и в квазикристалле, упорядочено без повторения. И, подобно квазикристаллу, это двумерный узор, сжатый в одно измерение. Это выравнивание измерений теоретически приводит к двум временным симметриям вместо одной: система, по сути, получает дополнительную симметрию от несуществующего дополнительного измерения времени.
Однако реальные квантовые компьютеры представляют собой невероятно сложные экспериментальные системы, поэтому вопрос о том, сохранятся ли преимущества, обещанные теорией, в реальных кубитах, остался недоказанным.
Используя квантовый компьютер Quantinuum, экспериментаторы проверили теорию на практике. Они периодически направляли лазерный луч на кубиты компьютера, используя последовательность, основанную на числах Фибоначчи. Основное внимание было уделено кубитам на обоих концах линейки из 10 атомов; именно там исследователи ожидали увидеть новую фазу материи, испытывающую две временные симметрии одновременно. В периодическом тесте краевые кубиты оставались квантовыми около 1,5 секунд — уже впечатляющий срок, учитывая, что кубиты сильно взаимодействовали друг с другом. При квазипериодической схеме кубиты оставались квантовыми на протяжении всего эксперимента, около 5,5 секунд. Думитреску говорит, что это потому, что симметрия дополнительного времени обеспечивала большую защиту.
Хотя полученные результаты демонстрируют, что новая фаза материи может действовать как долговременное хранилище квантовой информации, исследователям все еще необходимо функционально интегрировать эту фазу с вычислительной стороной квантовых вычислений.
Статья: 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
Журнал: Nature
