Sciencemag.cz
Doporučujeme
A jak to souvisí s kvazikrystaly, vyššími dimenzemi, neperiodickým dlážděním, symetriemi a stabilitou qubitů?
Fyzikové vytvořili pomocí sekvence laserových pulzů inspirovaných Fibonacciho čísly pozoruhodnou, dosud neznámou formu hmoty nacházející se uvnitř kvantového počítače. Tato „fáze“ se vyznačuje dvěma časovými rozměry, přestože zde stále existuje pouze jediný tok času.
Takže rovnou třeba předeslat, že půjde zjevně o práci pro laiky ne zrovna srozumitelnou, nad kterou člověk spíš pokývá hlavou, jako že je to opravdu zajímavé (protože když to vyšlo v Nature, tak to řekněme nebude nesmysl).
Hlavní autor studie Philipp Dumitrescu z Flatiron Institute v New Yorku primárně nechtěl vytvořit exotický stav hmoty, ale zvýšit životnost qubitů v kvantových počítačích. Na studii se podíleli vědci z celé řady univerzit a vlastní experimenty provedli na kvantovém počítači ve společnosti Quantinuum (Broomfield, Colorado). Qubity v experimentu představovalo 10 iontů ytterbia. Každý iont byl samostatně udržován a řízen elektrickým polem (iontovou pastí) a šlo s ním manipulovat (měnit jeho stav) nebo ho měřit pomocí laserových pulzů.
K zajištění vyšší odolnosti qubitů k vnějšímu šumu se dají využívat symetrie (vlastnosti odolné vůči změnám). Jednou z možných metod je přidání časové symetrie pomocí rytmických laserových pulzů směřujících do atomů. Vědci ale tentokrát zašli ještě dál. Místo jedné časové symetrie zkusili přidat hned dvě vedle sebe, a to pomocí uspořádaných, ale neopakujících se laserových pulzů (poznámka: tady nějak začíná být těžké si to představit jinak než zcela obecně…). Vzniká tak nová fáze hmoty, která se chová, jako by čas měl dva rozměry – a vedle toho zvýší životnost kvantových bitů (jejich koherenci).
Průvodní tisková zpráva jako analogii nabízí jinou pravidelnou, ale neopakující se strukturu – kvazikrystaly. Kvazikrystaly můžeme chápat jako krystaly z vyšších dimenzí (i zcela abstraktně vyšších než 3), které se promítají do nižších. Například jedno z dvourozměrných Penroseových dláždění je promítnutým řezem pětirozměrné mřížky do 2D (takže tím se dostáváme i k neperiodickému dláždění zmíněnému v úvodu).
Pro qubity navrhli vědci již před několika lety vytvoření kvazikrystalu v čase namísto v prostoru. Zatímco při periodickém laserovém pulzu by docházelo např. k prostému střídání (A,B,A,B,A,B atd.), vědci nyní vytvořili kvaziperiodický režim laserových pulzů založený na Fibonacciho posloupnosti. V této posloupnosti je každý člen posloupnosti součtem dvou předchozích členů (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA atd.). Tato struktura je stejně jako kvazikrystal uspořádaná, aniž by se opakovala (neperiodická). A analogicky jako u kvazikrystalů se jedná o 2D obrazec vtěsnaný do jediného rozměru. Toto rozměrové zploštění má teoreticky za následek dvě časové symetrie namísto jedné: Systém získává z neexistujícího časového rozměru další symetrii jako bonus.
V nové práci vědci tento přístup vyzkoušeli i na skutečném kvantovém počítači. Qubity vystavili jak periodickým laserovým pulzům, tak i pulzům založeným na Fibonacciho číslech. Zaměřili se na qubity na obou koncích desetiatomové sestavy; právě tam vědci očekávali, že nová fáze hmoty získá dvě časové symetrie najednou. Při periodickém testu zůstaly krajní qubity „kvantové“ (v koherenci/provázání/entanglementu) po dobu přibližně 1,5 sekundy – což bylo samo o sobě dost vzhledem k tomu, že qubity mezi sebou silně interagovaly. Při kvaziperiodickém vzoru zůstaly qubity kvantované po celou dobu experimentu, tedy asi 5,5 sekundy. Podle vědců to bylo proto, že dodatečná časová symetrie jim poskytovala větší ochranu.
Technika byla však prozatím vyzkoušena pouze z hlediska uchovávání informací v kvantovém počítači, nikoliv přímo jako součást provádění výpočtů (kvantových algoritmů).
Philipp Dumitrescu, Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulator, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04853-4. www.nature.com/articles/s41586-022-04853-4
Zdroj: Simons Foundation / Phys.org
