Durch das Abfeuern eines Fibonacci-Laserpulses auf die Atome in einem Quantencomputer haben Physiker eine völlig neue und exotische Phase der Materie geschaffen, die sich so verhält, als hätte sie zwei Dimensionen der Zeit.
Die neue Stufe der AusgabeDurch die Verwendung eines Lasers, der einen Strang aus 10 Ytterbium-Ionen rhythmisch wackelt, konnten Wissenschaftler Informationen fehlersicherer speichern und so den Weg für Quanten ebnen Computers Es kann Daten für eine lange Zeit speichern, ohne verformt zu werden. Die Forscher skizzierten ihre Ergebnisse in einem Papier, das am 20. Juli in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur temperieren (Öffnet in einem neuen Tab).
Das Einbeziehen einer zusätzlichen „theoretischen ‚Zeit‘-Dimension ist eine völlig andere Art, über die Phasen der Materie nachzudenken“, sagte Hauptautor Philip Domitrescu, ein Forscher am Flatiron Center for Computational Quantum Physics in New York City. Er sagte in einer Erklärung. „Ich habe daran gearbeitet Theorie Ideen seit über fünf Jahren, und es ist aufregend zu sehen, wie sie tatsächlich in Tests verwirklicht werden.“
Weder wollten die Physiker eine Stufe mit einer theoretischen zusätzlichen Zeitdimension schaffen, noch suchten sie nach einer Möglichkeit, Quantendaten besser speichern zu können. Stattdessen waren sie daran interessiert, eine neue Phase der Materie zu schaffen – eine neue Form, in der Materie existieren könnte, jenseits von Standard-Feststoffen und -Flüssigkeiten. GasPlasma.
Sie machten sich daran, die neue Stufe im H1-Quantenprozessor des Quantencomputerunternehmens zu bauen, der aus 10 Ytterbium-Ionen in einer Vakuumkammer besteht, die von einem Laser in einer als Ionenfalle bekannten Vorrichtung präzise gesteuert wird.
Gewöhnliche Computer verwenden Bits oder 0 und 1, um die Grundlage aller Berechnungen zu bilden. Quantencomputer sind darauf ausgelegt, Qubits zu verwenden, die auch im Zustand 0 oder 1 existieren können, aber damit enden die Gemeinsamkeiten. Dank der seltsamen Gesetze der Quantenwelt können Qubits in einer Kombination oder Überlagerung der beiden Zustände 0 und 1 existieren, bis sie gemessen werden, was zufällig auf 0 oder 1 kollabiert.
Dieses seltsame Verhalten ist der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit von Quantencomputern, da es Qubits ermöglicht, sich aneinander zu binden Quantenverschränkungdas ist ein Prozess Albert Einstein Es heißt „Fernarbeit“. Verschränkung paart zwei oder mehr Qubits miteinander und korreliert ihre Eigenschaften so, dass eine Änderung in einem Teilchen zu einer Änderung in dem anderen führt, selbst wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind. Dies gibt Quantencomputern die Möglichkeit, mehrere Berechnungen gleichzeitig durchzuführen, was ihre Rechenleistung im Vergleich zu klassischen Maschinen erheblich erhöht.
Aber die Entwicklung von Quantencomputern wird durch einen großen Fehler behindert: Qubits interagieren und verschränken sich nicht nur; Da sie nicht vollständig von der Umgebung außerhalb eines Quantencomputers isoliert werden können, interagieren sie auch mit der äußeren Umgebung, wodurch sie ihre Quanteneigenschaften und die Informationen, die sie tragen, in einem Prozess namens Dekohärenz verlieren.
Auch wenn ich alle Dateien behalte Atome Unter strenger Kontrolle können sie ihr „Quantum“ verlieren, indem sie mit ihrer Umgebung sprechen, sich aufheizen oder mit Dingen auf eine Weise interagieren, die sie nicht geplant haben“, sagte Domitrescu.
Um diese lästigen Dekohärenzeffekte zu überwinden und eine neue, stabile Phase zu schaffen, haben Physiker einen speziellen Satz von Phasen untersucht, die als topologische Phasen bezeichnet werden. Die Quantenverschränkung ermöglicht es Quantengeräten, Informationen nicht nur über die statischen einzelnen Positionen von Qubits hinweg zu codieren, sondern sie auch in die dynamischen Bewegungen und Wechselwirkungen der gesamten Materie einzuweben – in die eigentliche Form oder Topologie der verschränkten Materiezustände. Dadurch entsteht ein „topologisches“ Qubit, das Informationen in die mehrteilige Form anstatt in einen Teil selbst codiert, wodurch die Phase weniger wahrscheinlich ihre Informationen verliert.
Das Hauptunterscheidungsmerkmal des Übergangs von einer Phase zur anderen ist das Aufbrechen physikalischer Symmetrien – die Idee, dass die Gesetze der Physik für ein Objekt zu jedem Zeitpunkt in Raum und Zeit gleich sind. Als Flüssigkeit folgen Wassermoleküle an jedem Punkt im Raum und in alle Richtungen den gleichen physikalischen Gesetzen. Aber wenn Sie Wasser so weit abkühlen, dass es sich in Eis verwandelt, wählen seine Moleküle regelmäßige Punkte entlang der Kristallstruktur oder des Gitters, um sich darüber anzuordnen. Plötzlich bevorzugten die Wassermoleküle Punkte im Raum, um sie zu besetzen, und die anderen Punkte blieben leer; Die räumliche Symmetrie des Wassers wurde automatisch gebrochen.
Die Entstehung einer neuen topologischen Stufe innerhalb des Quantencomputers hängt ebenfalls von der Symmetriebrechung ab, aber bei dieser neuen Stufe wird die Symmetrie nicht über den Raum, sondern über die Zeit gebrochen.
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Indem sie jedem Ion in der Kette eine periodische Vibration des Lasers verliehen, wollten die Physiker die anhaltende Zeitsymmetrie von ruhenden Ionen aufbrechen und ihre eigene Zeitsymmetrie auferlegen – bei der Qubits über bestimmte Zeiträume hinweg gleich bleiben – und dies würde eine Rhythmik erzeugen topologische Phase über Materie.
Aber das Experiment schlug fehl. Anstatt eine topologische Phase zu induzieren, die gegen Dekohärenzeffekte immun war, vervielfachten die regelmäßigen Laserpulse das Rauschen von außerhalb des Systems und zerstörten es weniger als 1,5 Sekunden nach dem Einschalten.
Nach einem erneuten Besuch des Experiments stellten die Forscher fest, dass sie zur Schaffung einer robusteren topologischen Phase mehr als eine Symmetrie im Ionenfaden aufrechterhalten müssten, um das Potenzial für Systemstörungen zu verringern. Dazu entschieden sie sich dafür, ein pulsierendes Muster zu finden, das sich nicht einfach und regelmäßig wiederholte, sondern dennoch eine Art höhere Symmetrie über die Zeit aufwies.
Dies führte sie zu Fibonacci-Folge, wobei die nächste Zahl der Sequenz durch Addition der beiden vorherigen Zahlen entsteht. Während ein einfacher periodischer Laserpuls zwischen zwei Laserquellen (A, B, A, B, A, B usw.) , ABAAB, ABAABABA usw.).
Dieser Fibonacci-Impuls erzeugte eine zeitliche Symmetrie, die wie ein Quasikristall im Raum ohne Wiederholung angeordnet war. Wie ein Quasikristall zermalmen Fibonacci-Pulsationen auch ein höherdimensionales Muster auf eine niederdimensionale Oberfläche. Im Fall eines räumlichen Quasikristalls wie einer Penrose-Kachelung wird eine Scheibe eines fünfdimensionalen Gitters auf eine zweidimensionale Oberfläche projiziert. Wenn wir uns das Fibonacci-Pulsmuster ansehen, sehen wir zwei zeittheoretische Symmetrien, die zu einer physikalischen Symmetrie abgeflacht sind.
„Das System erhält im Wesentlichen zusätzliche Konsistenz durch eine zusätzliche Zeitdimension, die es nicht gibt“, schreiben die Forscher in der Erklärung. Das System erscheint als Materie, die in einer höheren zweidimensionalen Zeitdimension existiert – auch wenn dies physikalisch eigentlich unmöglich ist.
Als das Team es testete, erzeugte der neue quasi-periodische Fibonacci-Impuls eine topografische Phase, die das System über die gesamten 5,5 Sekunden des Tests vor Datenverlust schützte. Tatsächlich schufen sie eine Stufe, die länger als andere gegen eine Entkopplung immun war.
„Mit dieser quasi-periodischen Sequenz gibt es eine komplexe Entwicklung, die alle Fehler beseitigt, die am Rand leben“, sagte Domitrescu. „Aus diesem Grund bleibt die Kante viel länger quantenmechanisch kohärent, als man erwarten würde.“
Obwohl die Physiker ihr Ziel erreicht haben, gibt es noch ein Hindernis, um ihre Phase zu einem nützlichen Werkzeug für Quantenprogrammierer zu machen: sie mit dem rechnerischen Aspekt des Quantencomputings zu integrieren, damit sie mit Berechnungen eingegeben werden kann.
„Wir haben diese einfache und beeindruckende App, aber wir müssen einen Weg finden, sie mit den Konten zu verknüpfen“, sagte Domitrescu. „Das ist ein offenes Problem, an dem wir arbeiten.“
Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
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