Genom att lysa en laserpulssekvens inspirerad av Fibonacci-talen vid atomer inuti en kvantdator, har fysiker skapat en anmärkningsvärd, aldrig tidigare sett fas av materia. Fasen har fördelarna med två tidsdimensioner trots att det fortfarande bara finns ett enstaka tidsflöde, rapporterar fysikerna den 20 juli i Nature .

Denna sinnesböjande egenskap erbjuder en eftertraktad fördel:Information som lagras i fasen är mycket mer skyddad mot fel än med alternativa inställningar som för närvarande används i kvantdatorer. Som ett resultat kan informationen existera utan att förvanskas mycket längre, en viktig milstolpe för att göra kvantberäkning lönsam, säger studiens huvudförfattare Philipp Dumitrescu.

Tillvägagångssättets användning av en "extra" tidsdimension "är ett helt annat sätt att tänka om faser av materia", säger Dumitrescu, som arbetade med projektet som forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Quantum Physics i New York City. "Jag har arbetat med dessa teoriidéer i över fem år, och det är spännande att se dem förverkligas i experiment."

Dumitrescu ledde studiens teoretiska komponent med Andrew Potter från University of British Columbia i Vancouver, Romain Vasseur från University of Massachusetts, Amherst och Ajesh Kumar från University of Texas i Austin. Experimenten utfördes på en kvantdator på Quantinuum i Broomfield, Colorado, av ett team ledd av Brian Neyenhuis.

Arbetshästarna i lagets kvantdator är 10 atomjoner av ett grundämne som kallas ytterbium. Varje jon hålls individuellt och kontrolleras av elektriska fält som produceras av en jonfälla och kan manipuleras eller mätas med laserpulser.

Var och en av dessa atomjoner fungerar som vad forskare kallar en kvantbit, eller "qubit". Medan traditionella datorer kvantifierar information i bitar (var och en representerar en 0 eller en 1), utnyttjar qubits som används av kvantdatorer kvantmekanikens konstigheter för att lagra ännu mer information. Precis som Schrödingers katt är både död och levande i sin låda, kan en qubit vara en 0, en 1 eller en mashup - eller "superposition" - av båda. Den extra informationstätheten och hur qubits interagerar med varandra lovar att tillåta kvantdatorer att hantera beräkningsproblem långt bortom räckhåll för konventionella datorer.

Det finns dock ett stort problem:Precis som att kika i Schrödingers låda förseglar kattens öde, så gör interaktion med en qubit. Och den interaktionen behöver inte ens vara avsiktlig. "Även om du håller alla atomer under noggrann kontroll, kan de förlora sin kvantitet genom att prata med sin omgivning, värma upp eller interagera med saker på ett sätt som du inte planerat," säger Dumitrescu. "I praktiken har experimentella enheter många felkällor som kan försämra koherensen efter bara några laserpulser."

Utmaningen är därför att göra qubits mer robusta. För att göra det kan fysiker använda "symmetrier", i huvudsak egenskaper som håller för förändring. (En snöflinga har till exempel rotationssymmetri eftersom den ser likadan ut när den roteras 60 grader.) En metod är att lägga till tidssymmetri genom att spränga atomerna med rytmiska laserpulser. Detta tillvägagångssätt hjälper, men Dumitrescu och hans medarbetare undrade om de kunde gå längre. Så istället för bara en tidssymmetri, strävade de efter att lägga till två genom att använda ordnade men icke-repeterande laserpulser.

Det bästa sättet att förstå deras tillvägagångssätt är genom att överväga något annat ordnat men icke-repeterande:"kvasikristaller." En typisk kristall har en regelbunden, upprepande struktur, som hexagonerna i en bikaka. En kvasikristall har fortfarande ordning, men dess mönster upprepas aldrig. (Penrose-plattor är ett exempel på detta.) Ännu mer häpnadsväckande är att kvasikristaller är kristaller från högre dimensioner som projiceras, eller pressas ner, till lägre dimensioner. Dessa högre dimensioner kan till och med ligga bortom det fysiska rummets tre dimensioner:En 2D Penrose-platta, till exempel, är en projicerad del av ett 5-D-galler.

För qubitarna föreslog Dumitrescu, Vasseur och Potter 2018 skapandet av en kvasikristall i tid snarare än rum. Medan en periodisk laserpuls skulle alternera (A, B, A, B, A, B, etc.), skapade forskarna en kvasi-periodisk laserpulsregim baserad på Fibonacci-sekvensen. I en sådan sekvens är varje del av sekvensen summan av de två föregående delarna (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.). Detta arrangemang, precis som en kvasikristall, beställs utan att upprepas. Och, i likhet med en kvasikristall, är det ett 2D-mönster som är sammanpressat till en enda dimension. Den dimensionella utjämningen resulterar teoretiskt i två tidssymmetrier istället för bara en:Systemet får i huvudsak en bonussymmetri från en obefintlig extra tidsdimension.

Faktiska kvantdatorer är dock otroligt komplexa experimentella system, så om de fördelar som utlovats av teorin skulle bestå i verkliga kvantbitar förblev obevisat.

Med hjälp av Quantinuums kvantdator satte experimentalisterna teorin på prov. De pulserade laserljus mot datorns qubits både periodiskt och med hjälp av sekvensen baserad på Fibonacci-talen. Fokus låg på qubits i vardera änden av 10-atom lineupen; det var där forskarna förväntade sig att se den nya fasen av materia uppleva två tidssymmetrier samtidigt. I det periodiska testet förblev kant-qubitarna kvantum i cirka 1,5 sekunder - redan en imponerande längd med tanke på att qubitarna interagerade starkt med varandra. Med det kvasi-periodiska mönstret förblev qubitarna kvant under hela experimentets längd, cirka 5,5 sekunder. Det beror på att den extra tidssymmetrin gav mer skydd, säger Dumitrescu.

"Med denna kvasi-periodiska sekvens finns det en komplicerad evolution som tar bort alla fel som lever på kanten", säger han. "På grund av det förblir kanten kvantmekaniskt koherent mycket, mycket längre än du förväntar dig."

Även om resultaten visar att den nya fasen av materien kan fungera som långsiktig kvantinformationslagring, måste forskarna fortfarande funktionellt integrera fasen med den beräkningsmässiga sidan av kvantberäkningen. "Vi har den här direkta, lockande applikationen, men vi måste hitta ett sätt att koppla in den i beräkningarna," säger Dumitrescu. "Det är ett öppet problem vi arbetar med." + Utforska vidare

Fördubbling av Cooper-par för att skydda qubits i kvantdatorer från brus