Випустивши фібоначчієвий лазерний імпульс на атоми всередині квантового комп’ютера, фізики створили абсолютно нову, дивну фазу матерії, яка поводиться так, ніби має два виміри часу. Цей підхід можна використовувати для захисту даних квантового комп’ютера від помилок.
Нова фаза була створена шляхом випромінювання лазерів 10 іонів ітербію всередині квантового комп’ютера.
Нова фаза матерії, створена за допомогою лазерів для ритмічного погойдування нитки з 10 іонів ітербію, дозволяє дослідникам зберігати інформацію значно захищенішим від помилок способом, тим самим відкриваючи шлях до квантових комп’ютерів, які можуть зберігати дані протягом тривалого часу без спотворення. Дослідники виклали свої висновки в статті, опублікованій в журналі Nature.
Включення теоретичного "додаткового" виміру часу "є зовсім інакшим способом мислення про фази матерії", – заявив провідний автор Філіп Думітреску, дослідник Центру обчислювальної квантової фізики Інституту Флетайрона в Нью-Йорку. "Я працюю над цими теоретичними ідеями більше п’яти років, і дивитися, як вони тепер втілюються в експериментах, напрочуд захоплює".
Фізики не мали на меті створити фазу з теоретичним додатковим часовим виміром, як і не шукали метод, який би дозволив покращити квантове зберігання даних: вони були зацікавлені у створенні нової фази матерії – нової форми, в якій матерія може існувати, крім стандартних станів: твердого, рідкого, газоподібного та плазмового.
Вони взялися за створення цієї нової фази для квантового процесора H1 компанії Quantinuum, який складається з 10 іонів ітербію у вакуумній камері, якими прецизійно керують лазери в пристрої, відомому як іонна пастка.
Звичайні комп’ютери використовують біти, або 0 і 1, щоби скласти основу всіх обчислень. Квантові комп’ютери розроблені для використання кубітів, які також можуть існувати в стані 0 або 1. Але на цьому схожість закінчується. Завдяки химерним законам квантового світу кубіти можуть існувати в комбінації – або суперпозиції – станів 0 і 1 до моменту їх вимірювання, після чого вони випадковим чином колапсують або в 0, або в 1.
Ця дивна поведінка є ключем до потужності квантових обчислень, оскільки вона дозволяє кубітам з’єднуватися разом через квантову заплутаність, – процес, який Альберт Айнштайн назвав "моторошною дією на відстані". Заплутаність з’єднує два або більше кубітів один з одним, поєднуючи їхні властивості таким чином, що будь-яка зміна в одній частинці спричинить зміни в іншій, навіть якщо вони розділені величезними відстанями. Це дає квантовим комп’ютерам можливість виконувати кілька обчислень одночасно, експоненційно збільшуючи їхню обчислювальну потужність порівняно з класичними пристроями.
Але розвиток квантових комп’ютерів стримується великим недоліком: кубіти не просто взаємодіють і заплутуються один з одним: оскільки вони не можуть бути повністю ізольовані від зовнішнього середовища за межами квантового комп’ютера, вони також взаємодіють із зовнішнім середовищем, таким чином втрачаючи свої квантові властивості й інформацію, яку вони несуть, у процесі, який називається декогеренцією.
"Навіть якщо ви тримаєте всі атоми під жорстким контролем, вони можуть втратити свою "квантованість", спілкуючись із навколишнім середовищем, нагріваючись або взаємодіючи з речами у незаплановані вами способи", – сказав Думітреску.
Щоб уникнути цих неприємних ефектів декогеренції та створити нову стабільну фазу, фізики звернули увагу на спеціальний набір фаз, який називається топологічними фазами. Квантова заплутаність не тільки дозволяє квантовим пристроям кодувати інформацію в окремих статичних позиціях кубітів, а й уплітати їх у динамічні рухи та взаємодії всього матеріалу через властиву формі – або топологію – заплутаних станів матеріалу. Це створює "топологічний" кубіт, який кодує інформацію у формі, утвореній кількома частинами, а не окремо однією, що робить втрати інформації фазою значно менш ймовірними.
Ключовою ознакою переходу від однієї фази до іншої є порушення фізичної симетрії – ідеї про те, що закони фізики однакові для об’єкта в будь-який момент часу чи простору. Будучи рідиною, молекули води підкоряються тим самим фізичним законам у кожній точці простору та в будь-якому напрямку. Але якщо ви охолодите воду настільки, щоб вона перетворилася на лід, її молекули виберуть регулярні точки вздовж кристалічної структури або решітки, щоб у них влаштуватися. Раптово молекули води вибирають для цього певні "привілейовані" точки в просторі, залишаючи інші точки порожніми; просторова симетрія води спонтанно порушується.
Створення нової топологічної фази всередині квантового комп’ютера також залежить від порушення симетрії, але з цією новою фазою симетрія порушується не в просторі, а в часі.
Даючи кожному іону в ланцюзі періодичний поштовх за допомогою лазерів, фізики хотіли порушити безперервну часову симетрію іонів у стані спокою та нав’язати власну часову симетрію, де кубіти залишаються незмінними через певні проміжки часу – що створило би ритмічну топологічну фазу у всьому матеріалі.
Але експеримент провалився. Замість того, щоб індукувати топологічну фазу, яка була несприйнятливою до ефектів декогеренції, звичайні лазерні імпульси посилювали шум ззовні системи, знищуючи її через менш ніж півтори секунди після ввімкнення.
Переглянувши експеримент, дослідники зрозуміли, що для створення більш надійної топологічної фази їм знадобиться ув’язати в іонний ланцюг більше однієї часової симетрії, щоби зменшити ймовірність рандомізації системи. Щоби зробити це, вони зупинилися на пошуку шаблону пульсування, який не повторювався просто й регулярно, однак демонстрував деяку вищу симетрію в часі.
Це привело їх до послідовності Фібоначчі, в якій наступне число послідовності створюється шляхом додавання двох попередніх. У той час, як простий періодичний лазерний імпульс міг просто чергуватися між двома лазерними джерелами (A, B, A, B, A, B і так далі), їхня нова серія імпульсів натомість поєднувала два імпульси, які були раніше (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA тощо).
Ця пульсація Фібоначчі створила тимчасову симетрію, яка є – подібно до квазікристалу в просторі – впорядкованою, але без постійного повторення. І так само, як квазікристал, імпульси Фібоначчі також впливають візерунком вищого виміру на поверхню нижчого виміру. У випадку просторового квазікристалу, такого як Мозаїка Пенроуза, зріз п’ятивимірної решітки проєктується на двовимірну поверхню. Дивлячись на схему імпульсів за Фібоначчі, ми бачимо, що дві теоретичні часові симетрії зводяться в одну фізичну.
Приклад пенроузової мозаїки
"Система, по суті, отримує додаткову симетрію від неіснуючого додаткового виміру часу", – пишуть дослідники. Система виглядає як матеріал, який існує в якомусь вищому вимірі з двома вимірами часу – навіть якщо це не може бути фізично можливим у реальності.
Коли команда протестувала це, новий квазіперіодичний імпульс Фібоначчі створив топографічну фазу, яка захистила систему від втрати даних протягом усіх 5,5 секунд тесту. Реально, вони створили фазу, яка була несприйнятливою до декогерентності значно довше, ніж інші.
"З цією квазіперіодичною послідовністю відбувається складна еволюція, яка скасовує всі помилки, які живуть на грані, – сказав Думітреску. – Завдяки цьому грань залишається квантово-механічно когерентною значно довше, ніж ви очікували".
Хоча фізики досягли своєї мети, залишається одна перешкода для того, щоби зробити їхню фазу корисним інструментом для квантових програмістів: інтегрувати її з обчислювальною частиною квантових обчислень, щоб її можна було вводити в обчислення.
"Ми маємо це пряме спокусливе застосування, але нам треба знайти спосіб підключити його до розрахунків, – сказав Думітреску. – Це відкрита проблема, над якою ми працюємо".
Philipp T. Dumitrescu, Justin G. Bohnet, John P. Gaebler, Aaron Hankin, David Hayes, Ajesh Kumar, Brian Neyenhuis, Romain Vasseur & Andrew C. Potter
Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulatorм
Nature volume 607, 463–467 (2022)
Ben Turner
Scientists blast atoms with Fibonacci laser to make an 'extra' dimension of time
Livescience, 17.08.22
22.08.2022