Et team av fysikere sier at de klarte å skape en ny fase av materie ved å skyte laserpulser som leser ut Fibonacci-sekvensen til en kvantedatamaskin i Colorado. Materiefasen er avhengig av en egenart i Fibonacci-sekvensen for å forbli i en kvantetilstand lenger.
Akkurat som vanlig materie kan være i en fast, flytende, gass eller overopphetet plasmafase (eller tilstand), har kvantematerialer også faser. Fasen refererer til hvordan materien er strukturert på atomnivå – for eksempel arrangementet av atomene eller elektronene. Flere år siden, fysikere oppdaget et kvantesupersolidog i fjor, bekreftet et team eksistensen av kvantespinnvæsker, en lenge mistenkt fase av kvantestoff, i en simulator. Det ferske teamet tror de har oppdaget en annen ny fase.
Kvantebiter, eller qubits, er som vanlige datamaskinbiter ved at verdiene deres kan være 0 eller 1, men de kan også være 0 eller 1 samtidig, en tilstand av tvetydighet som gjør at datamaskinene kan vurdere mange mulige løsninger på et problem mye raskere enn en vanlig datamaskin. Kvantedatamaskiner skal til slutt kunne løse problemer som klassisk datamaskin ikke kan.
Qubits er ofte atomer; i det siste tilfellet brukte forskerne 10 ytterbiumioner, som ble kontrollert av elektriske felt og manipulert ved hjelp av laserpulser. Når flere qubits tilstander kan beskrives i forhold til hverandre, anses qubitene som sammenfiltret. Kvantesammenfiltring er en delikat avtale mellom flere qubits i et system, og avtalen oppløses i det øyeblikket en av disse bitenes verdier er sikker. I det øyeblikket dekoherer systemet, og kvanteoperasjonen faller fra hverandre.
En stor utfordring med kvanteberegning opprettholder kvantetilstanden til qubits. De minste svingningene i temperatur, vibrasjoner eller elektromagnetiske felt kan føre til at de supersensitive qubitene dekoherer og deres beregninger faller fra hverandre. Siden jo lenger qubitene forblir kvante, jo mer du kan få gjort, er det et avgjørende skritt for feltet å få datamaskiners kvantetilstander til å vedvare så lenge som mulig.
G/O Media kan få provisjon
I den nyere forskningen holdt pulsering av en laser med jevne mellomrom på de 10 ytterbium qubitene dem i en kvantetilstand – som betyr sammenfiltret – i 1,5 sekunder. Men da forskerne pulserte laserne i mønsteret til Fibonacci-sekvensen, fant de ut at qubitene på kanten av systemet forble i en kvantetilstand i omtrent 5,5 sekunder, hele lengden av eksperimentet (qubitene kunne ha forblitt i en kvantetilstand lenger, men teamet avsluttet eksperimentet ved 5,5 sekunders mark). Forskningen deres var publisert denne sommeren i naturen.
Du kan tenke på Fibonacci-sekvenslaserpulsene som to frekvenser som aldri overlapper hverandre. Det gjør pulsene til en kvasikrystall: et mønster som har orden, men ingen periodisitet.
“Nøkkelresultatet i mitt sinn var å vise forskjellen mellom disse to forskjellige måtene å konstruere disse kvantetilstandene og hvordan den ene var bedre til å beskytte den mot feil enn den andre,” sa studiemedforfatter Justin Bohnet, en kvanteingeniør ved Quantinuum, selskapet hvis datamaskin ble brukt i det nylige eksperimentet.
Fibonacci-sekvensen er et numerisk mønster der hvert tall er summen av de to foregående tallene (altså 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13 og så videre). Det er historien går over 2000 år tilbake og er knyttet til det såkalte gylne snitt. Nå kan den unike serien ha kvanteimplikasjoner.
“Det viser seg at hvis du konstruerer laserpulser på riktig måte, kan kvantesystemet ditt ha symmetrier som kommer fra tidsoversettelse,” sa Philipp Dumitrescu, avisens hovedforfatter og en kvantefysiker som utførte arbeidet mens han var ved Flatiron Institute. En tidsoversettelsessymmetri betyr at et eksperiment vil gi samme resultat, uavhengig av om det finner sted i dag, i morgen eller 100 år fra nå.
“Det vi innså er at ved å bruke kvasi-periodiske sekvenser basert på Fibonacci-mønsteret, kan du få systemet til å oppføre seg som om det er to distinkte tidsretninger,” la Dumitrescu til.
Å skyte qubitene med laserpulser med et periodisk (et enkelt ABAB) mønster forlenget ikke systemets kvantetilstand. Men ved å pulsere laseren i en Fibonacci-sekvens (A-AB-ABA-ABAAB, og så videre), ga forskerne qubitene en ikke-gjentakende, eller kvasi-periodisk, mønster.
Den’s ligner på kvasikrystallene fra Trinity kjernefysisk teststed, men i stedet for å være en tredimensjonal kvasikrystall, laget fysikerne en kvasikrystall i tide. I begge tilfeller kan symmetrier som eksisterer ved høyere dimensjoner projiseres i en lavere dimensjon, som de tessellerte mønstrene i en todimensjonal Penrose flislegging.
“Med denne kvasi-periodiske sekvensen er det en komplisert evolusjon som kansellerer ut alle feilene som lever på kanten,” sa Dumitrescu i en Simons Foundation utgivelse. Ved kanten refererer han til qubitene lengst fra midten av konfigurasjonen deres til enhver tid. “På grunn av det forblir kanten kvantemekanisk koherent mye, mye lenger enn du forventer.” Fibonacci-mønsterlaserpulsene gjorde kant-qubitene mer robuste.
Mer robuste kvantesystemer med lengre levetid er et viktig behov for fremtiden til kvantedatabehandling. Hvis det trengs å skyte qubits med en veldig spesifikk matematisk rytme av laserpulser for å holde en kvantedatamaskin i en sammenfiltret tilstand, så burde fysikere begynne å sprenge.
Mer: Hva i helvete er en kvantedatamaskin og hvor spent bør jeg være?