Πυροδοτώντας έναν παλμό λέιζερ Fibonacci στα άτομα μέσα σε έναν κβαντικό υπολογιστή, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει μια εντελώς νέα και εξωτική φάση της ύλης που συμπεριφέρεται σαν να είχε δύο διαστάσεις του χρόνου.
Το νέο στάδιο του θέμαπου δημιουργήθηκε με τη χρήση λέιζερ για να δονήσει ρυθμικά ένα σκέλος 10 ιόντων υττερβίου, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αποθηκεύουν πληροφορίες με πιο προστατευμένο από σφάλματα τρόπο, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για τα κβαντικά Υπολογιστές Μπορεί να διατηρήσει δεδομένα για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να παραμορφωθεί. Οι ερευνητές περιέγραψαν τα ευρήματά τους σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 20 Ιουλίου στο περιοδικό ιδιοσυγκρασία φύση (Ανοίγει σε νέα καρτέλα).
Η συμπερίληψη μιας «έξτρα «θεωρητικής» διάστασης του χρόνου είναι ένας εντελώς διαφορετικός τρόπος σκέψης για τις φάσεις της ύλης», είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Philip Domitrescu, ερευνητής στο Flatiron Centre for Computational Quantum Physics στη Νέα Υόρκη, είπε σε δήλωσή του. «Έχω δουλέψει πάνω σε αυτό θεωρία Οι ιδέες για περισσότερα από πέντε χρόνια και το να τις βλέπεις να υλοποιούνται πραγματικά σε δοκιμές είναι συναρπαστικό».
Σχετίζεται με: Ένας άλλος «κρύσταλλος χρόνου» που κατασκευάστηκε μέσα στον κβαντικό υπολογιστή της Google θα μπορούσε να αλλάξει τη φυσική για πάντα
Οι φυσικοί δεν ξεκίνησαν να δημιουργήσουν ένα στάδιο με μια θεωρητική πρόσθετη χρονική διάσταση, ούτε αναζήτησαν τρόπο για να επιτρέψουν την καλύτερη αποθήκευση κβαντικών δεδομένων. Αντίθετα, τους ενδιέφερε να δημιουργήσουν μια νέα φάση της ύλης – μια νέα μορφή στην οποία θα μπορούσε να υπάρχει ύλη, πέρα από τα τυπικά στερεά και υγρά. Αέριοπλάσμα αίματος.
Ξεκίνησαν να δημιουργήσουν το νέο στάδιο στον κβαντικό επεξεργαστή H1 της εταιρείας κβαντικών υπολογιστών, ο οποίος αποτελείται από 10 ιόντα υττερβίου σε έναν θάλαμο κενού που ελέγχεται ακριβώς από ένα λέιζερ σε μια συσκευή γνωστή ως παγίδα ιόντων.
Οι συνηθισμένοι υπολογιστές χρησιμοποιούν bit, ή 0 και 1, για να αποτελέσουν τη βάση όλων των υπολογισμών. Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν σχεδιαστεί για να χρησιμοποιούν qubits, τα οποία μπορούν επίσης να υπάρχουν στην κατάσταση 0 ή 1. Αλλά εκεί τελειώνουν οι ομοιότητες. Χάρη στους περίεργους νόμους του κβαντικού κόσμου, τα qubits μπορούν να υπάρχουν σε συνδυασμό ή υπέρθεση και των δύο καταστάσεων 0 και 1 μέχρι τη στιγμή που μετρώνται, η οποία τυχαία συμπίπτει στο 0 ή στο 1.
Αυτή η παράξενη συμπεριφορά είναι το κλειδί για τη δύναμη του κβαντικού υπολογισμού, καθώς επιτρέπει στα qubits να συνδέονται μεταξύ τους Κβαντική εμπλοκήπου είναι μια διαδικασία Albert Einstein Λέγεται «απομακρυσμένη τρομακτική εργασία». Η εμπλοκή ζευγαρώνει δύο ή περισσότερα qubits μεταξύ τους, συσχετίζοντας τις ιδιότητές τους έτσι ώστε μια αλλαγή σε ένα σωματίδιο έχει ως αποτέλεσμα μια αλλαγή στο άλλο, ακόμα κι αν τα χωρίζουν τεράστιες αποστάσεις. Αυτό δίνει στους κβαντικούς υπολογιστές τη δυνατότητα να εκτελούν πολλαπλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα, αυξάνοντας σημαντικά την επεξεργαστική τους ισχύ σε σύγκριση με τις κλασσικές μηχανές.
Αλλά η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών παρεμποδίζεται από ένα σημαντικό ελάττωμα: τα Qubit όχι μόνο αλληλεπιδρούν και εμπλέκονται μεταξύ τους. Δεδομένου ότι δεν μπορούν να απομονωθούν πλήρως από το περιβάλλον έξω από έναν κβαντικό υπολογιστή, αλληλεπιδρούν επίσης με το εξωτερικό περιβάλλον, με αποτέλεσμα να χάνουν τις κβαντικές τους ιδιότητες και τις πληροφορίες που μεταφέρουν, σε μια διαδικασία που ονομάζεται αποσυνοχή.
Ακόμα κι αν κρατήσω όλα τα αρχεία άτομα Υπό αυστηρό έλεγχο, μπορούν να χάσουν το «κβάντο» τους μιλώντας στο περιβάλλον τους, ζεσταίνοντας ή αλληλεπιδρώντας με πράγματα με τρόπους που δεν είχαν σχεδιάσει», είπε ο Ντομιτρέσκου.
Για να ξεπεράσουν αυτά τα ενοχλητικά φαινόμενα αποσυνοχής και να δημιουργήσουν μια νέα, σταθερή φάση, οι φυσικοί εξέτασαν ένα ειδικό σύνολο φάσεων που ονομάζονται τοπολογικές φάσεις. Η κβαντική εμπλοκή επιτρέπει στις κβαντικές συσκευές όχι μόνο να κωδικοποιούν πληροφορίες στις στατικές μεμονωμένες θέσεις των qubits, αλλά και να τις συνδυάζουν στις δυναμικές κινήσεις και τις αλληλεπιδράσεις ολόκληρης της ύλης – στο ίδιο το σχήμα ή την τοπολογία των εμπλεκόμενων καταστάσεων της ύλης. Αυτό δημιουργεί ένα “τοπολογικό” qubit που κωδικοποιεί πληροφορίες καθώς αποτελείται από πολλά μέρη και όχι από ένα μέρος μόνο του, καθιστώντας τη φάση λιγότερο πιθανό να χάσει τις πληροφορίες της.
Το κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα της μετάβασης από τη μια φάση στην άλλη είναι το σπάσιμο των φυσικών συμμετριών – η ιδέα ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για ένα αντικείμενο σε οποιοδήποτε σημείο του χρόνου ή του χώρου. Ως υγρό, τα μόρια του νερού ακολουθούν τους ίδιους φυσικούς νόμους σε κάθε σημείο του χώρου και προς κάθε κατεύθυνση. Αλλά αν κρυώσετε το νερό αρκετά ώστε να μετατραπεί σε πάγο, τα μόριά του θα επιλέξουν κανονικά σημεία κατά μήκος της κρυσταλλικής δομής, ή πλέγμα, για να τακτοποιηθούν κατά μήκος. Ξαφνικά, τα μόρια του νερού προτίμησαν σημεία στο χώρο για να καταλάβουν, και τα άλλα σημεία έμειναν άδεια. Η χωρική συμμετρία του νερού έσπασε αυτόματα.
Η δημιουργία ενός νέου τοπολογικού σταδίου μέσα σε έναν κβαντικό υπολογιστή εξαρτάται επίσης από το σπάσιμο της συμμετρίας, αλλά με αυτό το νέο στάδιο, η συμμετρία δεν σπάει στο χώρο, αλλά στο χρόνο.
Σχετίζεται με: Το πρώτο κβαντικό δίκτυο πολλαπλών κρυπτογράφησης στον κόσμο είναι μια σημαντική πρόοδος για το κβαντικό Διαδίκτυο
Δίνοντας σε κάθε ιόν της αλυσίδας μια περιοδική δόνηση του λέιζερ, οι φυσικοί ήθελαν να σπάσουν την επίμονη χρονική συμμετρία των ιόντων σε ηρεμία και να επιβάλουν τη δική τους χρονική συμμετρία – όπου τα qubits παραμένουν ίδια σε ορισμένες χρονικές περιόδους – και αυτό θα δημιουργούσε μια ρυθμική τοπολογική φάση στην ύλη.
Όμως το πείραμα απέτυχε. Αντί να προκαλέσουν μια τοπολογική φάση που ήταν ανοσία στις επιπτώσεις της αποσυνοχής, οι τακτικοί παλμοί λέιζερ διπλασίασαν τον θόρυβο έξω από το σύστημα, καταστρέφοντάς τον λιγότερο από 1,5 δευτερόλεπτο μετά την ενεργοποίηση.
Αφού επανεξέτασαν το πείραμα, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι για να δημιουργήσουν μια πιο στιβαρή τοπολογική φάση, θα χρειαζόταν να κρατήσουν συμμετρία περισσότερες από μία φορές στο νήμα ιόντων για να μειώσουν την πιθανότητα διακοπής του συστήματος. Για να το κάνουν αυτό, άρχισαν να βρίσκουν ένα παλλόμενο μοτίβο που δεν επαναλαμβανόταν απλά και τακτικά, αλλά παρόλα αυτά παρουσίαζε ένα είδος υψηλότερης συμμετρίας στο χρόνο.
Αυτό τους οδήγησε σε Ακολουθία Fibonacci, όπου ο επόμενος αριθμός της ακολουθίας δημιουργείται προσθέτοντας τους δύο προηγούμενους αριθμούς. Ενώ ένας απλός περιοδικός παλμός λέιζερ μπορεί να εναλλάσσεται μεταξύ δύο πηγών λέιζερ (Α, Β, Α, Β, Α, Β, κ.λπ.), η νέα σειρά παλμών τους λειτούργησε αντ’ αυτού συνδυάζοντας τους δύο παλμούς που προηγήθηκαν (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, κ.λπ.).
Αυτός ο παλμός Fibonacci δημιούργησε μια χρονική συμμετρία που, ακριβώς όπως ένας οιονεί κρύσταλλος στο χώρο, ήταν διατεταγμένος χωρίς επανάληψη. Όπως ένας οιονεί κρύσταλλος, οι παλμοί Fibonacci συνθλίβουν επίσης ένα μοτίβο υψηλότερης διάστασης σε μια επιφάνεια χαμηλότερης διάστασης. Στην περίπτωση ενός χωρικού οιονεί κρυστάλλου όπως ένα πλακίδιο Penrose, μια φέτα ενός δικτυωτού πλέγματος πέντε διαστάσεων προβάλλεται σε μια δισδιάστατη επιφάνεια. Εξετάζοντας το μοτίβο παλμών Fibonacci, βλέπουμε δύο χρονοθεωρητικές συμμετρίες που ισοπεδώνονται σε μία φυσική συμμετρία.
«Το σύστημα ουσιαστικά αποκτά πρόσθετη συνέπεια από μια πρόσθετη χρονική διάσταση που δεν υπάρχει», έγραψαν οι ερευνητές στη δήλωση. Το σύστημα εμφανίζεται ως ύλη που υπάρχει σε κάποια ανώτερη δισδιάσταση του χρόνου – ακόμα κι αν αυτό είναι ουσιαστικά αδύνατο στην πραγματικότητα.
Όταν η ομάδα το δοκίμασε, ο νέος οιονεί περιοδικός παλμός Fibonacci δημιούργησε μια τοπογραφική φάση που προστάτευσε το σύστημα από την απώλεια δεδομένων για όλα τα 5,5 δευτερόλεπτα της δοκιμής. Στην πραγματικότητα, δημιούργησαν ένα στάδιο που είχε ανοσία στην αποσύνδεση για περισσότερο από άλλα.
«Με αυτήν την σχεδόν περιοδική ακολουθία, υπάρχει μια πολύπλοκη εξέλιξη που εξαλείφει όλα τα λάθη που βρίσκονται στην άκρη», είπε ο Ντομιτρέσκου. «Εξαιτίας αυτού, η άκρη παραμένει κβαντομηχανικά συνεκτική πολύ, πολύ περισσότερο από όσο θα περίμενες».
Αν και οι φυσικοί έχουν επιτύχει τον στόχο τους, υπάρχει ακόμα ένα εμπόδιο για να γίνει η φάση τους ένα χρήσιμο εργαλείο για τους κβαντικούς προγραμματιστές: να ενσωματωθεί με την υπολογιστική πτυχή του κβαντικού υπολογισμού, ώστε να μπορεί να εισαχθεί με υπολογισμούς.
«Έχουμε αυτήν την απλή και εντυπωσιακή εφαρμογή, αλλά πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να τη συνδέσουμε με τους λογαριασμούς», είπε ο Ντομιτρέσκου. «Αυτό είναι ένα ανοιχτό πρόβλημα που εργαζόμαστε».
Δημοσιεύτηκε αρχικά στο Live Science.
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”