Создана квантовая фаза материи, которая существует как бы в двух измерениях времени

Запустив по схеме чисел Фибоначчи лазерный импульс в атомы внутри квантового компьютера, физики создали совершенно новую, странную фазу материи, которая ведет себя так, как если бы у нее было два измерения времени.

Новая фаза материи, созданная с помощью лазеров, которые ритмично покачивают нить из 10 ионов иттербия, позволяет ученым хранить информацию гораздо более защищенным от ошибок способом, тем самым открывая путь к квантовым компьютерам. Исследователи изложили свои выводы в статье, опубликованной в журнале Nature, пишет Live Science.

«Включение теоретического «дополнительного» временнОго измерения является совершенно новым способом мышления о фазах материи. Я работаю над этими теоретическими идеями более пяти лет, и наблюдать, как они деле реализуются в экспериментах, очень интересно», — заявил ведущий автор Филипп Думитреску из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона в Нью-Йорке.

Физики не собирались создавать фазу с дополнительным измерением времени и не искали метод, позволяющий улучшить хранение квантовых данных. Они пытались создать новую фазу материи — еще одну форму существования материи, помимо привычных твердого, жидкого, газообразного и плазмы.

Ученые приступили к созданию в вакуумной камере новой фазы квантового процессора, состоящего из 10 ионов иттербия, которые точно контролируются лазерами.

Обычные компьютеры используют биты (0 и 1), чтобы сформировать основу всех вычислений. Квантовые компьютеры могут использовать кубиты, которые также могут находиться в состоянии 0 или 1. Но на этом сходство заканчивается. Благодаря причудливым законам квантового мира кубиты могут существовать в суперпозиции состояний 0 и 1 (то есть одновременно в обоих) до момента их измерения, после чего они случайным образом превращаются либо в 0, либо в 1.

Это странное поведение является ключом к мощи квантовых вычислений, поскольку оно позволяет кубитам связываться друг с другом посредством квантовой запутанности. Запутанность связывает два или более кубита друг с другом, объединяя их таким образом, что любое изменение в одной частице вызовет то же изменение в другой, даже если они разделены огромным расстоянием. Это дает квантовым компьютерам возможность выполнять несколько вычислений одновременно, экспоненциально повышая их мощность по сравнению с привычными устройствами.

Но развитие квантовых компьютеров сдерживается большой проблемой: кубиты взаимодействуют и запутываются не только друг с другом. Поскольку они не могут быть полностью изолированы, они также взаимодействуют с внешней средой. Это приводит к потере их квантовых свойств и информации, которую они несут. Такой процесс называется «декогеренцией».

Квантовая запутанность не только позволяет квантовым устройствам кодировать информацию через статичные положения кубитов, но и вплетать их в динамические движения всего материала. Это создает «топологический» кубит, который кодирует информацию в структуре, образованной несколькими частями, а не только лишь одной. Это значительно снижает вероятность потери информации.

Ключевым признаком перехода от одной фазы к другой является нарушение физической симметрии — идеи о том, что законы физики одинаковы для объекта в любой момент времени или пространства. Молекулы воды в жидком состоянии подчиняются одним и тем же физическим законам в любой точке пространства и во всех направлениях. Но если вы охладите воду настолько, что она превратится в лед, ее молекулы выберут конкретные точки в кристаллической структуре. То есть внезапно молекулы воды займут предпочтительные точки в пространстве, а другие места они оставят пустыми. Получается, что пространственная симметрия воды спонтанно нарушена.

Создание новой топологической фазы внутри квантового компьютера также зависит от нарушения симметрии, но в этой новой фазе симметрия нарушается не в пространстве, а во времени.

Периодически давая каждому иону в цепочке толчок с помощью лазеров, физики хотели нарушить непрерывную временную симметрию покоящихся ионов и навязать свою собственную — ту, где кубиты остаются неизменными через определенные промежутки времени. Так должна была появиться ритмическая фаза материала.

Но эксперимент провалился. Вместо создания топологической фазы, невосприимчивой к эффектам декогеренции, обычные лазерные импульсы усиливали шум извне системы, уничтожая ее менее чем через 1,5 секунды после включения.

Ученые поняли, что для создания более надежной топологической фазы им потребуется ввести более одной временной симметрии в ионную цепь. Для этого они решили найти образец импульса, который бы не повторялся регулярно, но, тем не менее, демонстрировал некоторую симметрию во времени.

Это привело их к последовательности Фибоначчи, в которой следующее число создается путем сложения двух предыдущих. В то время как простой периодический лазерный импульс просто чередовался между двумя лазерными импульсами (A, B, A, B, A, B и т. д.), новая последовательность запускалась путем объединения двух импульсов, которые были раньше (A, AB, АВА, АВААВ, АВААВАВА и др.).

Эта пульсация Фибоначчи создала временнУю симметрию, которая была упорядочена, но никогда не повторялась. Так две теоретические временнЫе симметрии сливаются в одну физическую — одновременно упорядоченную и нет. Система предстает как будто существует с двумя измерениями времени — даже если в реальности это может быть физически невозможно.

«Система, по сути, получает бонусную симметрию от несуществующего дополнительного временного измерения», — пишут исследователи.

Когда команда протестировала его, новый квазипериодический импульс Фибоначчи создал топологическую фазу, которая защищала систему от потери данных в течение всех 5,5 секунд теста. Они создали фазу, которая была невосприимчива к декогеренции гораздо дольше, чем в других экспериментах.

Хотя физики достигли своей цели, осталось одно препятствие, чтобы сделать их фазу полезным инструментом для квантовых компьютеров: как интегрировать ее с технической частью квантовых вычислений.

«У нас есть это прямое, заманчивое открытие, но нам нужно найти способ подключить его к расчетам. Это проблема, над которой мы работаем», — сказал Думитреску.