Η παράξενη νέα φάση της ύλης που δημιουργήθηκε στον κβαντικό υπολογιστή λειτουργεί σαν να έχει δύο χρονικές διαστάσεις

Το μοτίβο ψηφίδας Penrose είναι ένας τύπος οιονεί κρυστάλλου, που σημαίνει ότι έχει μια διατεταγμένη αλλά ποτέ επαναλαμβανόμενη δομή. Το σχέδιο, που αποτελείται από δύο σχήματα, είναι μια δισδιάστατη προβολή ενός 5Δ τετράγωνου πλέγματος. Πίστωση: Καμία

Προβάλλοντας μια ακολουθία παλμών λέιζερ εμπνευσμένων από αριθμούς Φιμπονάτσι σε άτομα μέσα σε έναν κβαντικό υπολογιστή, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει μια αξιοσημείωτη, πρωτόγνωρη φάση της ύλης. Η φάση έχει τα πλεονεκτήματα των δύο χρονικών διαστάσεων, αν και υπάρχει ακόμη μόνο μία μοναδική χρονική ροή, αναφέρουν οι φυσικοί στις 20 Ιουλίου στις Φύση.


Αυτή η συγκλονιστική ιδιότητα προσφέρει ένα περιζήτητο πλεονέκτημα: οι πληροφορίες που αποθηκεύονται στη φάση προστατεύονται πολύ καλύτερα από σφάλματα παρά με τις εναλλακτικές διαμορφώσεις που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε κβαντικούς υπολογιστές. Ως αποτέλεσμα, οι πληροφορίες μπορούν να υπάρχουν χωρίς κρυπτογράφηση για πολύ περισσότερο, ένα σημαντικό βήμα για να γίνει βιώσιμος ο κβαντικός υπολογισμός, λέει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Philipp Dumitrescu.

Η χρήση μιας «πρόσθετης» χρονικής διάστασης από την προσέγγιση «είναι ένας εντελώς διαφορετικός τρόπος σκέψης για τις φάσεις της ύλης», λέει ο Ντουμιτρέσκου, ο οποίος εργάστηκε στο έργο ως ερευνητής στο Κέντρο Υπολογιστικής Κβαντικής Φυσικής του Ινστιτούτου Flatiron στη Νέα Υόρκη. . «Δουλεύω πάνω σε αυτές τις θεωρητικές ιδέες για περισσότερα από πέντε χρόνια και είναι συναρπαστικό να τις βλέπω να καρποφορούν σε πειράματα».

Ο Ντουμιτρέσκου ηγήθηκε του θεωρητικού μέρους της μελέτης με τον Andrew Potter από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας στο Βανκούβερ, τον Romain Vasseur από το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst και τον Ajesh Kumar από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε έναν κβαντικό υπολογιστή στο Quantinuum στο Broomfield του Κολοράντο, από μια ομάδα με επικεφαλής τον Brian Neyenhuis.

Τα άλογα εργασίας των κβαντικών υπολογιστών της ομάδας είναι 10 ατομικά ιόντα ενός στοιχείου που ονομάζεται υττέρβιο. Κάθε ιόν συγκρατείται χωριστά και ελέγχεται από ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από μια παγίδα ιόντων και μπορεί να χειριστεί ή να μετρηθεί χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ.

Καθένα από αυτά τα ατομικά ιόντα χρησιμεύει ως αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν κβαντικό bit ή “qubit”. Ενώ οι παραδοσιακοί υπολογιστές κβαντίζουν τις πληροφορίες σε bit (το καθένα αντιπροσωπεύει ένα 0 ή ένα 1), τα qubits που χρησιμοποιούνται από τους κβαντικούς υπολογιστές εκμεταλλεύονται το παράξενο της κβαντικής μηχανικής για να αποθηκεύσουν ακόμη περισσότερες πληροφορίες. Ακριβώς όπως η γάτα του Schrödinger είναι και νεκρή και ζωντανή στο κουτί της, ένα qubit μπορεί να είναι ένα 0, ένα 1 ή ένα mashup – ή “υπέρθεση” – των δύο. Αυτή η επιπλέον πυκνότητα πληροφοριών και ο τρόπος με τον οποίο τα qubits αλληλεπιδρούν μεταξύ τους υπόσχονται να επιτρέψουν στους κβαντικούς υπολογιστές να επιλύουν υπολογιστικά προβλήματα πολύ πέρα ​​από την προσιτότητα των συμβατικών υπολογιστών.

Υπάρχει, όμως, ένα μεγάλο αλίευμα: όπως το να κρυφοκοιτάξεις στο κουτί του Σρέντινγκερ σφραγίζει τη μοίρα της γάτας, έτσι και η αλληλεπίδραση με μια qubit. Και αυτή η αλληλεπίδραση δεν χρειάζεται καν να είναι σκόπιμη. «Ακόμα κι αν κρατάτε όλα τα άτομα υπό αυστηρό έλεγχο, μπορεί να χάσουν το κβάντο τους μιλώντας στο περιβάλλον τους, θερμαίνοντας ή αλληλεπιδρώντας με πράγματα με τρόπους που δεν περιμένατε», λέει ο Ντουμιτρέσκου. «Στην πράξη, οι πειραματικές συσκευές έχουν πολλές πηγές σφαλμάτων που μπορούν να υποβαθμίσουν τη συνοχή μετά από μερικούς μόνο παλμούς λέιζερ».

Έτσι, η πρόκληση είναι να γίνουν τα qubits πιο γερά. Για να γίνει αυτό, οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν «συμμετρίες», ουσιαστικά ιδιότητες που αντιστέκονται στην αλλαγή. (Μια νιφάδα χιονιού, για παράδειγμα, έχει περιστροφική συμμετρία καθώς φαίνεται το ίδιο όταν περιστρέφεται 60 μοίρες.) Μια μέθοδος είναι να προσθέσετε χρονική συμμετρία ανατινάζοντας τα άτομα με ρυθμικούς παλμούς λέιζερ. Αυτή η προσέγγιση βοηθάει, αλλά ο Ντουμιτρέσκου και οι συνεργάτες του αναρωτήθηκαν αν μπορούσαν να προχωρήσουν περισσότερο. Έτσι, αντί για μία μόνο χρονική συμμετρία, σκόπευαν να προσθέσουν δύο χρησιμοποιώντας διατεταγμένους αλλά μη επαναλαμβανόμενους παλμούς λέιζερ.

Η παράξενη νέα φάση της ύλης που δημιουργήθηκε στον κβαντικό υπολογιστή λειτουργεί σαν να έχει δύο χρονικές διαστάσεις

Σε αυτόν τον κβαντικό υπολογιστή, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει μια πρωτόγνωρη φάση ύλης που λειτουργεί σαν να είχε δύο διαστάσεις ο χρόνος. Η φάση θα μπορούσε να βοηθήσει στην προστασία των κβαντικών πληροφοριών από την καταστροφή πολύ περισσότερο από τις τρέχουσες μεθόδους. Πίστωση: Quantinuum

Ο καλύτερος τρόπος για να κατανοήσουμε την προσέγγισή τους είναι να εξετάσουμε κάτι άλλο που είναι διατεταγμένο αλλά όχι επαναλαμβανόμενο: «οιονεί κρύσταλλοι». Ένας τυπικός κρύσταλλος έχει μια κανονική, επαναλαμβανόμενη δομή, όπως τα εξάγωνα σε μια κηρήθρα. Ένας οιονεί κρύσταλλος έχει πάντα τάξη, αλλά τα μοτίβα του δεν επαναλαμβάνονται ποτέ. (Τα πλακάκια Penrose είναι ένα παράδειγμα.) Ακόμη πιο εντυπωσιακά, οι οιονεί κρύσταλλοι είναι κρύσταλλοι υψηλότερων διαστάσεων που πετιούνται ή συνθλίβονται σε χαμηλότερες διαστάσεις. Αυτές οι υψηλότερες διαστάσεις μπορεί ακόμη και να ξεπερνούν τις τρεις διαστάσεις του φυσικού χώρου: ένα πλακάκι 2D Penrose, για παράδειγμα, είναι μια προβαλλόμενη φέτα ενός δικτυωτού πλέγματος 5-Δ.

Για τα qubits, Dumitrescu, Vasseur και Potter προτάθηκε το 2018 η δημιουργία ενός οιονεί κρυστάλλου στο χρόνο και όχι στο χώρο. Ενώ ένας περιοδικός παλμός λέιζερ θα εναλλάσσονταν (Α, Β, Α, Β, Α, Β, κ.λπ.), οι ερευνητές δημιούργησαν ένα σχεδόν περιοδικό καθεστώς παλμών λέιζερ με βάση την ακολουθία Fibonacci. Σε μια τέτοια ακολουθία, κάθε μέρος της ακολουθίας είναι το άθροισμα των δύο προηγούμενων μερών (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, κ.λπ.). Αυτή η διάταξη, σαν σχεδόν κρύσταλλος, διατάσσεται χωρίς επανάληψη. Και, παρόμοιο με ένα οιονεί κρύσταλλο, είναι ένα μοτίβο 2D που συνθλίβεται σε μία διάσταση. Αυτή η διαστασιακή ισοπέδωση έχει θεωρητικά ως αποτέλεσμα δύο χρονικές συμμετρίες αντί για μία μόνο: το σύστημα ουσιαστικά αποκτά επιπλέον συμμετρία από μια ανύπαρκτη πρόσθετη διάσταση χρόνου.

Οι πραγματικοί κβαντικοί υπολογιστές είναι απίστευτα πολύπλοκα πειραματικά συστήματα, ωστόσο, δεν έχει αποδειχθεί εάν τα οφέλη που υπόσχεται η θεωρία θα διατηρηθούν στα qubits του πραγματικού κόσμου.

Χρησιμοποιώντας τον κβαντικό υπολογιστή του Quantinuum, τα βιωματικά δοκίμασαν τη θεωρία. Παλμούσαν φως λέιζερ στα qubit του υπολογιστή τόσο περιοδικά όσο και χρησιμοποιώντας την ακολουθία που βασίζεται σε αριθμούς Fibonacci. Η εστίαση ήταν στα qubits σε κάθε άκρο της περιοχής των 10 ατόμων. Αυτό είναι όπου οι ερευνητές περίμεναν να δουν τη νέα φάση της ύλης να βιώνει δύο χρονικές συμμετρίες ταυτόχρονα. Κατά τη διάρκεια της περιοδικής δοκιμής, τα περιφερειακά qubits παρέμειναν κβαντικά για περίπου 1,5 δευτερόλεπτο, ένα ήδη εντυπωσιακό χρονικό διάστημα, δεδομένου ότι τα qubits αλληλεπιδρούσαν έντονα μεταξύ τους. Με το οιονεί περιοδικό μοντέλο, τα qubits παρέμειναν κβαντικά για τη διάρκεια του πειράματος, περίπου 5,5 δευτερόλεπτα. Αυτό συμβαίνει επειδή η πρόσθετη χρονική συμμετρία πρόσφερε περισσότερη προστασία, εξηγεί ο Ντουμιτρέσκου.

«Με αυτήν την σχεδόν περιοδική ακολουθία, υπάρχει μια περίπλοκη εξέλιξη που ακυρώνει όλα τα λάθη που ζουν στην περιφέρεια», λέει. “Εξαιτίας αυτού, η άκρη παραμένει κβαντομηχανικά συνεπής για πολύ, πολύ περισσότερο από το αναμενόμενο.”

Αν και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η νέα φάση της ύλης μπορεί να λειτουργήσει ως μακροπρόθεσμη αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών, οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη ενσωματώσει λειτουργικά τη φάση με την υπολογιστική πλευρά του κβαντικού υπολογισμού. «Έχουμε αυτήν την άμεση και δελεαστική εφαρμογή, αλλά πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να την ενσωματώσουμε στους υπολογισμούς», λέει ο Ντουμιτρέσκου. «Είναι ένα ανοιχτό θέμα που εργαζόμαστε».


Διπλασιασμός ζευγών Cooper για την προστασία των Qubits των Κβαντικών Υπολογιστών από το θόρυβο


Περισσότερες πληροφορίες:
Philipp Dumitrescu, Δυναμική τοπολογική φάση που υλοποιείται σε παγιδευμένο κβαντικό προσομοιωτή ιόντων, Φύση (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04853-4. www.nature.com/articles/s41586-022-04853-4

Παρέχεται από το Ίδρυμα Simons

Παραθέτω, αναφορά: Η περίεργη νέα φάση της ύλης που δημιουργήθηκε σε κβαντικό υπολογιστή λειτουργεί σαν να έχει δύο χρονικές διαστάσεις (20 Ιουλίου 2022) Ανακτήθηκε στις 21 Ιουλίου 2022 από https://phys.org/news/2022-07-strange-phase -quantum- διαστάσεις. html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από την ορθή χρήση για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημέρωση.

READ  Το Tomcat RIO αφηγείται την ιστορία πίσω από αυτό το διάσημο F-14 Cockpit Selfie

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.