Квантовый прорыв. Физики создали новое состояние материи, которое существует в двух временных измерениях

Из школьных уроков по физике мы знаем о трех агрегатных состояниях материи — твердое, жидкое и газообразное. Возможно, вам повезло с преподавателем, и он рассказывал также о четвертом состоянии материи, которое появляется при нагревании газа и достаточном давлении — плазме. Именно в таком виде существовала Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва; кроме того, именно в виде плазмы существует большая часть материи в нашей Вселенной на сегодняшний день.

Однако на самом деле агрегатных состояний материи существует намного больше.

Некоторые из них ученые надеются применить в том числе и для создания квантовых компьютеров — это, к примеру, спиновая жидкость и временные кристаллы. И если эти состояния материи помогут создавать более устойчивые кубиты, то новое исследование американских физиков, опубликованное в журнале Nature, может стать ключом к защите этих самых кубитов.

Использование для этого «дополнительного» временного измерения «является совершенно новым подходом к исследованию состояний материи», — объясняет Филип Думитреску, научный сотрудник Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон в Нью-Йорке.

На самом деле ученые изначально не планировали разрабатывать какую-то универсальную защиту для кубитов. Команда исследователей под руководством Думитреску планировала поработать над созданием альтернативного состояния материи.

Они экспериментировали с квантовым процессором H1 Quantinuum, который работает на 10 ионах иттербия. Каждый из них контролируется лазерами, а также магнитными и электронными полями которые создают ионную ловушку, которая держит иттербий на своем месте.

Каждый из ионов является кубитом — то есть, в квантовом компьютере ученых было 10 кубитов. Главное преимущество кубита перед битом — возможность находиться в суперпозиции; в то время, как бит может быть лишь в одном из двух состояний (1 или 0), кубит может быть и нулем и единицей одновременно. Именно эта особенность и делает квантовые компьютеры настолько желанными для ученых всех областей: такие системы помогут многократно ускорить и повысить эффективность исследований.

Однако чтобы полностью раскрыть потенциал квантовых компьютеров, кубиты должны быть связаны между собой: ученые называют это явление квантовой запутанностью. Запутанные между друг другом кубиты становятся единым целым, и любое изменение состояния одного из них немедленно вызовет такое же изменение в другом.

Одновременно квантовая запутанность несет в себе и проблему декогеренции — то есть потери связи между кубитами вследствие их взаимодействия с окружающей средой (ученые называют это шумом). На самом деле полностью изолировать кубиты квантового компьютера от шума достаточно сложно, что и вызывает ту самую подверженность системы многочисленным ошибкам.

Чтобы стабилизировать работу кубитов, команда ученых под руководством Думитреску обратилась к симметриям. Идея в том, что если пространство симметрично, то наблюдателю изнутри будет сложно отличить южную сторону от северной. Исследователи действовали несколько иначе — и попытались создать симметрию не в пространстве, а во времени.

Для этого исследователи «толкали» кубиты с помощью лазеров через определенные промежутки времени. Это не помогло, а скорее даже наоборот — связь между кубитами нарушалась всего через 1,5 секунды после включения системы.

Тогда ученые решили, что им придется создать более одной временной симметрии, чтобы система заработала и была зашифрованной от посторонних шумов. Однако им нужно было выработать такую последовательность, которая одновременно не повторялась просто и регулярно, однако при этом демонстрировала определенную симметрию во времени.

В этом исследователям помогли числа Фибоначчи. Согласно этой модели, каждое следующее число последовательности составляет сумму двух предыдущих чисел. Так, если мы возьмем числа 1 и 2, то последовательность будет такой: 1, 2, 3 (1+2); 5 (2+3); 8 (3+5) и так далее.

Последовательность работы лазеров, основанная на числах Фибоначчи помогла удержать систему в рабочем состоянии уже 5,5 секунд. На первый взгляд увеличение длительности когорентности с 1,5 до 5,5 секунд не кажется чем-то большим, однако на квантовом уровне это значительный успех.

Фактически, физики выполнили свою основную задачу — создали новое состояние материи, которое может действовать как хранилище квантовой информации. Однако теперь перед ними стоит не менее сложная задача — интегрировать ее в вычислительные мощности квантовых компьютеров.