Новая фаза материи в двух временных измерениях создана в квантовом компьютере

Многие исследователи сейчас работают над созданием функциональных квантовых компьютеров. Обладая огромной вычислительной мощностью, они обещают множество достижений. Однако они все еще сталкиваются с серьезным препятствием: фундаментальные единицы, позволяющие проводить вычисления, известные как "кубиты", не могут сохранять свою когерентность в течение очень долгого времени. Создавая два "временных измерения", исследователи ищут решение этой проблемы.

Их цель - "защитить" квантовую информацию более эффективным способом, чем в существующих квантовых системах. Их результаты были опубликованы в журнале Nature. Чтобы лучше понять, как они к этому пришли, важно вспомнить, что такое кубиты. Кубит — это, прежде всего, самая элементарная единица информации. В обычном компьютере эти кубиты заменяются "битами". Их значение равно 0 или 1, и они используются для составления всех "кодов", необходимых для вычислений компьютера.

В квантовом компьютере кубиты могут (в дополнение к этим двум состояниям) быть одновременно 0 и 1. Это состояние, которое довольно трудно представить, известно как "квантовая суперпозиция". Именно это позволяет отодвинуть границы стандартных вычислений. Дополнительная плотность информации, а также взаимодействие кубитов друг с другом позволяют гораздо быстрее решать чрезвычайно сложные задачи.

Однако это квантовое состояние также очень трудно поддерживать. На самом деле, с более конкретной точки зрения, кубиты состоят из атомов. В данном случае ученые выбрали для работы 10 атомов иттербия. В их системе каждый из этих ионов удерживается и контролируется индивидуально с помощью электрических полей, создаваемых ионной ловушкой. Им можно манипулировать или измерять с помощью лазерных импульсов. Эта конфигурация является относительно классической в области квантовых вычислений.

Что усложняет ситуацию, так это взаимодействие этих ионов с окружающей средой. Для проведения квантовых расчетов ионы должны взаимодействовать друг с другом. Но взаимодействия, которые они могут иметь с окружающей средой, как раз и могут нарушить их квантовое состояние. "Даже если вы держите все атомы под строгим контролем, они могут потерять свое квантовое состояние, общаясь с окружающей средой, нагреваясь или взаимодействуя с предметами так, как вы не предполагали", — объясняет Филипп Думитреску, один из авторов исследования, в своем заявлении. "На практике экспериментальные устройства имеют множество источников ошибок, которые могут ухудшить когерентность уже после нескольких лазерных импульсов".

В своей работе исследователи хотели изучить возможность существования дополнительного "временного измерения". Они считают, что добавление этого измерения снизит риск декогеренции атомов. Чтобы понять эту идею, можно провести параллель с "квазикристаллами". В классическом кристалле существует регулярная и повторяющаяся структура: регулярный рисунок, похожий на ячейки пчелиного улья, квадраты шахматной доски... Квазикристалл немного отличается: он имеет упорядоченную структуру, но при этом его структура никогда не повторяется. Хорошим примером этого является так называемая мозаика "Пенроуз", которую можно увидеть в повседневной жизни.

Аналогичным образом можно получить так называемые "временные кристаллы". Мы считаем, что существуют закономерности, которые повторяются, но на этот раз во времени. Если говорить конкретно, то это предполагает периодическое стимулирование атомов лазерами для создания движений, которые повторяются неопределенно долгое время (например, частица движется и возвращается в одно и то же место). Этот метод, который уже используется, обеспечивает временную "симметрию", которая, как было показано, усиливает когерентность кубитов. На этот раз вместо обычных лазерных импульсов ученые решили посылать "квазиритмические" импульсы. Это означает, что эти импульсы упорядочены, но не повторяются: как в случае квазикристалла.

Эти импульсы посылались согласно последовательности Фибоначчи. В такой последовательности каждая часть последовательности является суммой двух предыдущих частей (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA и т. д.). Схематически правильная последовательность дала бы, наоборот, А, В, А, В... Таким образом, мы находимся в упорядоченной последовательности, но не повторяющейся. Таким образом, мы находимся в упорядоченной последовательности, но которая не повторяется. Обстреливая таким образом кубиты, ученые получают два "паттерна" разной временной протяженности. В ответ на ритм лазера кубиты также испытывают квазипериодическое движение, но отличное от движения лазера. Именно поэтому исследователи говорят о двух одновременных "временных измерениях".

По словам исследователей, эти особые движения способны нивелировать ошибки, которые могут возникнуть в результате взаимодействия кубитов с окружающей средой. Это сделает их, короче говоря, более "устойчивыми". "Использование в этом подходе "дополнительного" измерения времени — это совершенно иной способ осмысления фаз материи", — объясняет Филипп Думитреску. "Я работал над этими теоретическими идеями более пяти лет, и мне очень приятно видеть, как они реализуются в экспериментах".

Чтобы проверить свою теорию, исследователи провели испытания на массиве из 10 атомов, которые образуют кубиты. Сначала они посылали лазерные импульсы через равные промежутки времени, затем с частотой, соответствующей числам Фибоначчи. Они сосредоточились на кубитах на концах их 10-атомного ряда. Их результаты кажутся довольно убедительными. Действительно, при периодических импульсах кубиты оставались в квантовом состоянии около 1,5 секунды. С квазипериодической моделью они были способны поддерживать себя в течение всего времени эксперимента, т.е. около 5,5 секунды. "Потому что дополнительная временная симметрия обеспечивала большую защиту", — объясняет Филипп Думитреску.

Хотя сопротивление действительно было увеличено, еще предстоит найти способ использовать этот новый метод в функциональных квантовых расчетах. "У нас есть это прямое и привлекательное применение, но нам нужно найти способ интегрировать его в расчеты", — говорит Думитреску. "Это открытая проблема, над которой мы работаем".