Der Ytterbium-Atom-Quantencomputer. (Wie viele) In a wurde eine neue Phase der Materie beobachtet so viel wie ein Computer nachdem Physiker in einem von der Fibonacci-Folge inspirierten Muster Licht auf seine Qubits gepulst hatten.
Wenn Sie das für verblüffend halten: Diese seltsame Eigenart der Quantenmechanik verhält sich so, als hätte sie zwei Zeitdimensionen statt einer; Eine Eigenschaft, die laut Wissenschaftlern die Qubits robuster macht und über die gesamte Dauer des Experiments stabil bleiben kann.
Diese Stabilität wird Quantenkohärenz genannt und ist eines der Hauptziele für einen fehlerfreien Quantencomputer – und eines der am schwierigsten zu erreichenden.
Die Arbeit repräsentiert „eine völlig andere Art, über Phasen der Materie nachzudenken“. so der Quantencomputer-Physiker Philipp Dumitrescu vom Flatiron Institute, Hauptautor einer neuen Arbeit, die das Phänomen beschreibt.
„Ich arbeite seit über fünf Jahren an diesen theoretischen Ideen und es ist aufregend zu sehen, wie sie in Experimenten tatsächlich umgesetzt werden.“
Quanten-Computing basiert auf Qubits, dem Quantenäquivalent der Rechenbits. Wenn Bits jedoch Informationen in einem von zwei Zuständen verarbeiten, einer 1 oder einer 0, können Qubits beide gleichzeitig sein, ein Zustand, der als Quantenüberlagerung bekannt ist.
Die mathematische Natur dieser Überlagerung kann aus rechnerischer Sicht unglaublich leistungsstark sein und die Problemlösung unter den richtigen Umständen in kürzester Zeit erledigen.
Aber die verschwommene, ungeklärte Natur einer Reihe von Qubits hängt auch davon ab, in welcher Beziehung ihre unentschlossenen Zustände zueinander stehen – eine Beziehung, die man „Qubits“ nennt Verstrickung .
Frustrierend ist, dass sich Qubits mit fast allem in ihrer Umgebung verschränken und Fehler verursachen können. Je empfindlicher der verschwommene Zustand eines Qubits ist (oder je mehr Chaos in seiner Umgebung herrscht), desto größer ist das Risiko, dass es diese Kohärenz verliert.
Die Verbesserung der Kohärenz bis zur Realisierbarkeit ist wahrscheinlich ein multitaktischer Ansatz, um eine erhebliche Hürde zu überwinden, die einem funktionsfähigen Quantencomputer im Weg steht – jedes kleine bisschen macht einen Unterschied.
„Selbst wenn man alle Atome unter strenger Kontrolle hält, können sie ihre Quantenhaftigkeit verlieren, indem sie mit ihrer Umgebung kommunizieren, sich erwärmen oder mit Dingen auf eine Weise interagieren, die Sie nicht geplant haben.“ Dumitrescu erklärte .
„In der Praxis weisen experimentelle Geräte viele Fehlerquellen auf, die die Kohärenz bereits nach wenigen Laserpulsen beeinträchtigen können.“
Die Durchsetzung einer Symmetrie kann eine Möglichkeit sein, Qubits vor Dekohärenz zu schützen. Drehen Sie ein einfaches altes Quadrat um neunzig Grad, und es hat praktisch immer noch die gleiche Form. Diese Symmetrie schützt es vor bestimmten Rotationseffekten.
Das Anzapfen von Qubits mit gleichmäßig verteilten Laserpulsen stellt sicher, dass es eine Symmetrie gibt, die nicht auf Raum, sondern auf Zeit basiert. Dumitrescu und seine Kollegen wollten wissen, ob sie diesen Effekt verstärken könnten, indem sie nicht symmetrische Periodizität, sondern asymmetrische Quasiperiodizität hinzufügen.
Sie vermuteten, dass dies nicht nur eine Zeitsymmetrie, sondern zwei hinzufügen würde; das eine ist praktisch im anderen vergraben.
Die Idee basierte auf früheren Arbeiten des Teams, das das vorgeschlagen hatte Entstehung eines sogenannten Quasikristalls im Laufe der Zeit , statt Raum. Während ein Kristall aus einem symmetrischen Atomgitter besteht, das sich im Raum wiederholt, wie ein Klettergerüst mit quadratischem Gitter oder eine Bienenwabe, wiederholt sich das Muster der Atome auf einem Quasikristall nicht, wie bei einem Penrose-Fliesen , aber immer noch bestellt.
Das Team führte sein Experiment auf einem hochmodernen kommerziellen Quantencomputer durch, der von entwickelt wurde Wie viele , ein Quantencomputerunternehmen. Dieses Biest verwendet für seine Qubits 10 Atome Ytterbium (eines der Elemente der Wahl für Atomuhren ). Diese Atome werden in einer elektrischen Ionenfalle festgehalten, von der aus sie mit Laserpulsen kontrolliert oder gemessen werden können.
Dumitrescu und Kollegen erstellten eine Folge von Laserimpulsen basierend auf Fibonacci-Zahlen , wobei jedes Segment die Summe der beiden vorherigen Segmente ist. Dies führt zu einer geordneten Sequenz, die sich jedoch nicht wiederholt, genau wie bei einem Quasikristall.
Quasikristalle können mathematisch als niederdimensionale Segmente höherdimensionaler Gitter beschrieben werden. Eine Penrose-Fliese kann als beschrieben werden zweidimensionaler Ausschnitt eines fünfdimensionalen Hyperwürfels .
Ebenso können die Laserpulse des Teams als eindimensionale Darstellung eines zweidimensionalen Musters beschrieben werden. Theoretisch bedeutete dies, dass Qubits möglicherweise zwei Zeitsymmetrien auferlegt werden könnten.
Das Team testete seine Arbeit, indem es Laser auf das Ytterbium-Qubit-Array blitzen ließ, zunächst in einer symmetrischen Abfolge, dann quasiperiodisch. Anschließend maßen sie die Kohärenz der beiden Qubits an beiden Enden der Falle.
Bei der periodischen Sequenz waren die Qubits 1,5 Sekunden lang stabil. Für die quasiperiodische Sequenz blieben sie 5,5 Sekunden lang stabil – die Dauer des Experiments.
Die zusätzliche Zeitsymmetrie, so die Forscher, füge einen weiteren Schutz gegen Quantendekohärenz hinzu.
„Mit dieser quasi-periodischen Sequenz gibt es eine komplizierte Entwicklung, die alle Fehler, die am Rande leben, aufhebt.“ sagte Dumitrescu .
„Aus diesem Grund bleibt die Kante viel, viel länger quantenmechanisch kohärent, als man erwarten würde.“
Die Arbeit ist noch nicht annähernd bereit für die Integration in funktionale Quantencomputer , aber es stellt einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Ziels dar, sagten die Forscher.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .