Направляя лазерный импульс Фибоначчи на атомы внутри квантового компьютера, физики создали совершенно новую, странную фазу материи, которая ведет себя так, как будто у нее есть два измерения. «Хайтек» рассказывает, как это поможет к разработке квантовых компьютеров.
Ученые взорвали атомы лазером Фибоначчи, чтобы создать «дополнительное» измерение времени. Новую фазу создали, запуская лазеры на 10 ионов иттербия внутри квантового компьютера. Метод можно использовать для защиты данных квантового компьютера от ошибок.
Чем уникальны квантовые измерения?
Обычные компьютеры используют биты (0 и 1), чтобы сформировать основу для всех вычислений. Но квантовые компьютеры предназначены для использования кубитов, которые также могут существовать в состоянии 0 или 1. Но на этом сходство заканчивается. Благодаря причудливым законам квантового мира кубиты могут существовать в комбинации или суперпозиции состояний 0 и 1 до момента их измерения, после чего они случайным образом коллапсируют либо в 0, либо в 1.
Это странное поведение является ключом к силе квантовых вычислений, поскольку позволяет кубитам связываться друг с другом посредством квантовой запутанности. Она связывает два или более кубита друг с другом, связывая таким образом, что любое изменение в одной частице вызовет изменение в другой. Это произойдет, даже если они разделены огромным расстоянием. Так квантовые компьютеры могут выполнять несколько вычислений одновременно, экспоненциально повышая их вычислительную мощность по сравнению с классическими устройствами.
В чем проблема?
Развитию квантовых компьютеров мешает один недостаток: кубиты не просто так взаимодействуют и запутываются друг с другом. Из-за того, что их нельзя идеально изолировать от окружающей среды за пределами квантового компьютера, они взаимодействуют с внешней средой. В итоге, это приводит к потере их квантовых свойств и информации, которую они несут в процессе декогеренции.
Фото на обложке: Berndthaller, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Иными словами, даже если держать все атомы под жестким контролем, они могут потерять свою «квантовость», взаимодействуя с окружающей средой, совсем не так, как планировали ученые.
Есть решение
Чтобы обойти эффекты декогеренции физики использовали специальный набор фаз —топологические. Квантовая запутанность не только позволяет квантовым устройствам кодировать информацию через единичные статические положения кубитов, но и вплетать их в динамические движения и взаимодействия всего материала — в самой форме или топологии запутанных состояний материала. Это создает «топологический» кубит, который кодирует информацию в форме, образованной несколькими частями, а не только одной. Так снижается вероятность потери информации фазой.
Ключевым признаком перехода от одной фазы к другой является нарушение физических симметрий — идея о том, что законы физики одинаковы для объекта в любой момент времени или пространства. Как жидкость, молекулы воды следуют одним и тем же физическим законам в любой точке пространства и во всех направлениях.
Но если достаточно охладить воду, чтобы она превратилась в лед, ее молекулы выберут правильные точки вдоль кристаллической структуры или решетки. Внезапно у молекул воды появляются предпочтительные точки в пространстве, которые они занимают, оставляя другие пустыми. В итоге, пространственная симметрия воды спонтанно нарушается. Это и вдохновило ученых на новой топологической фазы внутри квантового компьютера. Важное отличие — в этой новой фазе симметрия нарушается не в пространстве, а во времени.
Как создать дополнительное измерение?
Физики не собирались создавать фазу с теоретическим дополнительным измерением времени и не искали метод, который улучшит хранение квантовых данных. Вместо этого они хотели создать новую фазу материи — форму, в которой материя может существовать. Конечно, помимо стандартных — твердой, жидкой, газа и плазмы.
Они приступили к созданию новой фазы квантового процессора H1 компании Quantinuum, который состоит из 10 ионов иттербия в вакуумной камере. Там они точно контролируются лазерами в ионной ловушке. По плану, давая каждому иону в цепочке периодический толчок («взрывая» их) с помощью лазеров, физики хотели нарушить непрерывную временную симметрию.
Что в итоге?
Теперь, новая фаза материи, созданная с помощью лазеров, ритмично покачивающих нить из 10 ионов иттербия, позволяет ученым хранить информацию гораздо более защищенным от ошибок способом. Это поможет в разработке квантовых компьютеров, которые хранят данные в течение длительного времени, не искажая их. Исследователи изложили свои выводы в статье, опубликованной 20 июля в журнале Nature.
Сейчас включение теоретического «дополнительного» временного измерения — это совершенно другой способ мышления о фазах материи.
Читать далее:
Рекордный корональный выброс массы на Бетельгейзе в 400 млрд раз больше солнечного