O nouă fază ciudată a materiei creată într-un computer cuantic se comportă ca și cum ar avea două dimensiuni de timp

Prin strălucirea unei secvențe de impulsuri laser inspirate de numerele Fibonacci în atomi în interiorul unui computer cuantic, fizicienii au creat o fază fascinantă a materiei, nemaivăzută până acum. Fizicienii au raportat pe 20 iulie că faza are beneficii cu două dimensiuni de timp, chiar dacă există încă un singur flux de timp. temperare natura.

Această proprietate atrăgătoare oferă un beneficiu de dorit: informațiile stocate în fază sunt mai protejate împotriva erorilor decât setările alternative utilizate în prezent în calculatoarele cuantice. Drept urmare, informațiile pot exista fără a fi distorsionate pentru mai mult timp, o piatră de hotar importantă pentru viabilitatea calculului cuantic, spune autorul principal al studiului Filip Domitrescu.

Domitrescu, care a lucrat la proiect în calitate de cercetător la Centrul de Fizică Cuantică Computațională din New York City, spune că utilizarea abordării pentru o „dimensiune a timpului suplimentar” este un mod cu totul diferit de a gândi fazele materiei. „Lucrez la aceste idei teoretice de peste cinci ani și este incitant să le văd realitate în experimente”.

Domitrescu a condus componenta teoretică a studiului alături de Andrew Potter de la Universitatea British Columbia din Vancouver, Roman Vasier de la Universitatea din Massachusetts, Amherst și Agish Kumar de la Universitatea Texas din Austin. Experimentele au fost efectuate pe un computer cuantic la Quantinuum din Broomfield, Colorado, de o echipă condusă de Brian Nienhuis.

Unitățile de lucru ale computerului cuantic ale echipei constau din 10 ioni atomici ai unui element numit iterbiu. Fiecare ion este deținut și controlat individual de câmpurile electrice produse de capcana de ioni și poate fi manipulat sau măsurat cu impulsuri laser.

Fiecare dintre acești ioni atomici funcționează așa cum îi numesc oamenii de știință biți cuantici sau „qubiți”. În timp ce computerele clasice definesc informația în biți (fiecare reprezentând un 0 sau 1), qubiții utilizați de computerele cuantice profită de ciudatenia mecanicii cuantice pentru a stoca mai multe informații. La fel ca o pisică Schrödinger moartă și vie în cutia sa, un qubit poate fi 0, 1 sau o combinație – sau „suprapunere” – a ambelor. Densitatea informațiilor suplimentare și modul în care qubiții interacționează între ei permit computerelor cuantice să abordeze problemele de calcul dincolo de accesul computerelor convenționale.

Cu toate acestea, există o mare problemă: așa cum o privire în pieptul lui Schrödinger ascunde soarta pisicii, la fel și interacțiunea cu qubit. Această interacțiune nu trebuie să fie intenționată. „Chiar dacă țineți toți atomii sub control strict, aceștia își pot pierde cantitatea vorbind cu mediul lor, încălzindu-se sau interacționând cu lucruri în moduri pe care nu le-au planificat”, spune Domitrescu. „În practică, dispozitivele experimentale conțin multe surse de eroare care pot degrada coerența după câteva impulsuri laser”.

Astfel, provocarea este de a face qubiții mai puternici. Pentru a face acest lucru, fizicienii pot folosi „simetria”, care sunt în esență proprietăți care rezistă schimbărilor. (Fulgul de zăpadă, de exemplu, are simetria rotationala Pentru că arată la fel când sunt rotite la 60 de grade.) O modalitate este de a adăuga simetrie temporală prin exploziarea atomilor cu impulsuri laser ritmice. Această abordare este utilă, dar Domitrescu și colaboratorii săi s-au întrebat dacă pot merge mai departe. Deci, în loc de o simetrie unică, ei și-au propus să adauge două folosind impulsuri laser ordonate, dar nerepetitive.

Cel mai bun mod de a înțelege abordarea lor este să te gândești la un alt lucru ordonat, dar nu repetitiv: „cvasicristale”. Un cristal tipic are o structură regulată care se repetă, ca hexagoane într-un fagure. Semicristalul mai are ordine, dar tiparele sale nu se repetă niciodată. (Tigla Penrose este un exemplu.) Cel mai surprinzător, semicristalele sunt cristale de dimensiuni mai mari proiectate, sau comprimate, la dimensiuni inferioare. Aceste dimensiuni mai mari pot fi mai departe decât cele trei dimensiuni ale spațiului fizic: de exemplu, o placă Penrose bidimensională este o felie proiectată a unei rețele cu cinci dimensiuni.

Pentru qubiți, Dumitrescu, Vasseur și Potter Sugerat în 2018 Creați un semicristal în timp și nu în spațiu. În timp ce pulsul laser periodic poate alterna (a, b, a, b, a, b etc.), cercetătorii au creat un sistem de impulsuri laser cvasiperiodic bazat pe secvența Fibonacci. Într-o astfel de secvență, fiecare parte a secvenței este suma celor două părți anterioare (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA etc.). Acest aranjament, la fel ca un semi-cristal, este aranjat fără repetare. Un cvasicristal, este un model bidimensional comprimat într-o singură dimensiune. Aplatizarea dimensiunilor are ca rezultat, teoretic, două simetrii temporale în loc de una singură: sistemul obține în esență simetrie suplimentară dintr-o dimensiune extra temporală care nu există.

Cu toate acestea, computerele cuantice reale sunt sisteme experimentale incredibil de complexe, așa că nu a fost încă dovedit dacă beneficiile promise de teorie vor persista sau nu în qubiții din lumea reală.

Folosind un computer cuantic, experimentaliştii au pus teoria la încercare. Ei au pulsat lumina laser pe qubiții computerului periodic folosind o secvență bazată pe numerele Fibonacci. Accentul s-a pus pe qubiți la fiecare capăt al configurației cu 10 atomi; Aici cercetătorii se așteptau să vadă noua fază a materiei experimentând simultan simetria timpului. În testul periodic, qubiții de margine au rămas cuantici pentru aproximativ 1,5 secunde – o lungime cu adevărat uluitoare, având în vedere că qubiții interacționau puternic unul cu celălalt. Folosind modul cvasi-periodic, qubiții au rămas cuantici pe durata experimentului, aproximativ 5,5 secunde. Asta pentru că consistența prelungirilor a oferit mai multă protecție, spune Domitrescu.

„Cu această secvență cvasi-periodică, există o evoluție complexă care elimină toate bug-urile care trăiesc pe margine”, spune el. „Din acest motiv, marginea rămâne coerentă din punct de vedere mecanic cuantic mult, mult mai mult decât v-ați aștepta.”

Deși rezultatele demonstrează că noua fază a materiei poate acționa ca o stocare pe termen lung a informațiilor cuantice, cercetătorii trebuie încă să integreze funcțional faza cu aspectul computațional al calculului cuantic. „Avem această aplicație simplă și impresionantă, dar trebuie să găsim o modalitate de a o conecta la conturi”, spune Domitrescu. „Aceasta este o problemă deschisă la care lucrăm”.

Furnizat de Simons Foundation