Эта странная новая фаза материи существует в двух временных измерениях

Новая фаза материи была обнаружена в квантовом компьютере после того, как физики направили свет на его кубиты по схеме, вдохновленной последовательностью Фибоначчи.

Если вы думаете, что это умопомрачительно, то эта странная причуда квантовой механики ведет себя так, как будто у нее два измерения времени, а не одно; эта черта, по словам ученых, делает кубиты более устойчивыми, способными оставаться стабильными в течение всего времени эксперимента. 

Такая стабильность называется квантовой когерентностью, и это одна из главных целей безошибочного квантового компьютера - и одна из самых труднодостижимых.

По словам вычислительного квантового физика Филиппа Думитреску из Flatiron Institute, ведущего автора новой статьи, описывающей это явление, работа представляет собой "совершенно иной способ мышления о фазах материи".

"Я работал над этими теоретическими идеями более пяти лет, и видеть их реальное воплощение в экспериментах очень интересно".

Квантовые вычисления основаны на кубитах, квантовом эквиваленте вычислительных битов. Однако если биты обрабатывают информацию в одном из двух состояний - 1 или 0, то кубиты могут находиться в обоих состояниях одновременно - это состояние известно как квантовая суперпозиция.

Математическая природа этой суперпозиции может быть невероятно мощной с вычислительной точки зрения, позволяя при правильных обстоятельствах быстро решать задачи.

Но размытая, неопределенная природа серии кубитов также зависит от того, как их неопределенные состояния связаны друг с другом - эта связь называется запутанностью. 

К сожалению, кубиты могут спутаться практически со всем, что находится в их окружении, внося ошибки. Чем более тонким является размытое состояние кубита (или чем больше хаоса в его окружении), тем выше риск того, что он потеряет когерентность.

Улучшение когерентности до точки жизнеспособности, вероятно, является многотактическим подходом к устранению значительного препятствия, стоящего на пути функционального квантового компьютера - каждый маленький бит имеет значение.

"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", - объясняет Думитреску.

"На практике экспериментальные устройства имеют множество источников ошибок, которые могут ухудшить когерентность уже после нескольких лазерных импульсов".

Обеспечение симметрии может быть одним из средств защиты кубитов от декогеренции. Поверните обычный квадрат на девяносто градусов, и он все равно останется той же формы. Эта симметрия защищает его от определенных эффектов вращения.

Если воздействовать на кубиты равномерно распределенными лазерными импульсами, то симметрия будет основана не на пространстве, а на времени. Думитреску и его коллеги хотели узнать, можно ли усилить этот эффект, добавив не симметричную периодичность, а асимметричную квазипериодичность.

По их идее, это добавит не одну временную симметрию, а две, одна из которых будет фактически погребена внутри другой.

Эта идея была основана на более ранней работе команды, которая предложила создать нечто, называемое квазикристаллом, во времени, а не в пространстве. Если кристалл состоит из симметричной решетки атомов, повторяющейся в пространстве, как квадратная решетка джунглей или соты, то узор атомов в квазикристалле неповторяющийся, как плитка Пенроуза, но все же упорядоченный.

Команда провела свой эксперимент на передовом коммерческом квантовом компьютере, разработанном компанией Quantinuum, специализирующейся на квантовых вычислениях. Это чудовище использует в качестве кубитов 10 атомов иттербия (один из элементов, используемых в атомных часах). Эти атомы удерживаются в электрической ионной ловушке, из которой лазерные импульсы могут использоваться для управления или измерения.

Думитреску и его коллеги создали последовательность лазерных импульсов, основанную на числах Фибоначчи, где каждый сегмент является суммой двух предыдущих сегментов. В результате получается упорядоченная, но не повторяющаяся последовательность, подобно квазикристаллу.

Квазикристаллы можно математически описать как сегменты более низкоразмерных решеток более высокоразмерных. Решетку Пенроуза можно описать как двумерный срез пятимерного гиперкуба.

Таким же образом лазерные импульсы команды можно описать как одномерное представление двумерного узора. Теоретически это означает, что потенциально можно наложить две временные симметрии на кубиты.

Команда проверила свою работу, направив лазеры на массив иттербиевых кубитов, сначала в симметричной последовательности, а затем квазипериодически. Затем они измерили когерентность двух кубитов на обоих концах ловушки.

При периодической последовательности кубиты были стабильны в течение 1,5 секунд. Для квазипериодической последовательности они оставались стабильными в течение 5,5 секунд - продолжительность эксперимента.

Дополнительная временная симметрия, по словам исследователей, добавила еще один уровень защиты от квантовой декогеренции.

"С этой квазипериодической последовательностью происходит сложная эволюция, которая нивелирует все ошибки, живущие на краю", - сказал Думитреску.

"Благодаря этому край остается квантово-механически когерентным намного, намного дольше, чем можно было бы ожидать".

Работа еще не готова к интеграции в функциональные квантовые компьютеры, но она представляет собой важный шаг на пути к этой цели, говорят исследователи.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.