Tillsätt en skvätt gräddkanna till ditt morgonkaffe, så kommer moln av vit vätska att virvla runt din kopp. Men ge det några sekunder så försvinner dessa virvlar och lämnar dig med en vanlig mugg brun vätska.
Något liknande händer i kvantdatorchips – enheter som utnyttjar universums konstiga egenskaper i dess minsta skala – där information snabbt kan blandas ihop, vilket begränsar minneskapaciteten hos dessa verktyg.
Det behöver inte vara fallet, säger Rahul Nandkishore, docent i fysik vid University of Colorado Boulder.
I en ny kupp för teoretisk fysik har han och hans kollegor använt matematik för att visa att forskare i princip kan skapa ett scenario där mjölken och kaffet aldrig blandas – oavsett hur hårt du rör om dem.
Gruppens resultat kan leda till nya framsteg inom kvantdatorchips, vilket potentiellt ger ingenjörer nya sätt att lagra information i otroligt små föremål.
"Tänk på de initiala virvlande mönstren som visas när du lägger grädde till ditt morgonkaffe", säger Nandkishore, senior författare till den nya studien. "Tänk om dessa mönster fortsatte att snurra och dansa oavsett hur länge du tittade."
Forskare behöver fortfarande köra experiment i labbet för att se till att dessa oändliga virvlar verkligen är möjliga. Men gruppens resultat är ett stort steg framåt för fysiker som försöker skapa material som förblir ur balans, eller jämvikt, under långa tidsperioder – en strävan som kallas "ergodicitetsbrytning."
Teamets resultat publicerades denna vecka i det senaste numret av Physical Review Letters .
Studien, som inkluderar medförfattarna David Stephen och Oliver Hart, postdoktorala forskare i fysik vid CU Boulder, bygger på ett vanligt problem inom kvantberäkning.
Normala datorer körs på "bitar", som har formen av nollor eller ettor. Nandkishore förklarade att kvantdatorer däremot använder "qubits", som kan existera som noll, en eller, genom kvantfysikens konstigheter, noll och en på samma gång. Ingenjörer har gjort qubits av en mängd olika saker, inklusive enskilda atomer som fångas av lasrar eller små enheter som kallas supraledare.
Men precis som den där koppen kaffe kan qubits lätt blandas ihop. Om du till exempel vänder alla dina qubits till en, kommer de så småningom att vända fram och tillbaka tills hela chippet blir en oorganiserad röra.
I den nya forskningen kan Nandkishore och hans kollegor ha hittat en väg runt den tendensen att blanda. Gruppen beräknade att om forskare ordnar qubits i särskilda mönster, kommer dessa sammansättningar att behålla sin information – även om du stör dem med hjälp av ett magnetfält eller en liknande störning. Det skulle, sade fysikern, tillåta ingenjörer att bygga enheter med ett slags kvantminne.
"Det här kan vara ett sätt att lagra information", sa han. "Du skulle skriva in information i dessa mönster, och informationen kunde inte försämras."
I studien använde forskarna matematiska modelleringsverktyg för att föreställa sig en uppsättning av hundratals till tusentals qubits arrangerade i ett schackbrädeliknande mönster.
Tricket, upptäckte de, var att stoppa qubitarna i en trång plats. Om qubits kommer tillräckligt nära varandra, förklarade Nadkishore, kan de påverka beteendet hos sina grannar, nästan som en skara människor som försöker klämma sig in i en telefonkiosk. Vissa av dessa människor kanske står upprätt eller på huvudet, men de kan inte vända åt andra hållet utan att trycka på alla andra.
Forskarna beräknade att om de ordnade dessa mönster på precis rätt sätt, skulle dessa mönster kunna flyta runt ett kvantdatorchip och aldrig försämras – ungefär som de där gräddmolnen som snurrar för evigt i ditt kaffe.
"Det underbara med den här studien är att vi upptäckte att vi kunde förstå detta fundamentala fenomen genom vad som är nästan enkel geometri," sa Nandkishore.
Teamets resultat kan påverka mycket mer än bara kvantdatorer.
Nandkishore förklarade att nästan allt i universum, från koppar kaffe till stora hav, tenderar att röra sig mot vad forskare kallar "termisk jämvikt". Om du tappar en isbit i din mugg, till exempel, kommer värme från ditt kaffe att smälta isen och så småningom bilda en vätska med en jämn temperatur.
Hans nya rön ansluter sig dock till en växande mängd forskning som tyder på att vissa små materiaorganisationer kan motstå den jämvikten – till synes bryter mot några av universums mest oföränderliga lagar.
"Vi kommer inte att behöva göra om vår matematik för is och vatten," sa Nandkishore. "Matematikområdet som vi kallar statistisk fysik är otroligt framgångsrikt för att beskriva saker vi möter i vardagen. Men det finns inställningar där det kanske inte gäller."
Mer information: David T. Stephen et al, Ergodicity Breaking Provably Robust to Arbitrary Perturbations, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.040401. PåarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.03966
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av University of Colorado i Boulder
