Door een laserpulsreeks geïnspireerd op de Fibonacci-getallen op atomen in een kwantumcomputer te laten schijnen, hebben natuurkundigen een opmerkelijke, nooit eerder vertoonde fase van materie gecreëerd. De fase heeft de voordelen van twee tijdsdimensies, ondanks dat er nog steeds maar één enkelvoudige tijdstroom is, rapporteren de natuurkundigen op 20 juli in Nature .

Deze geestverruimende eigenschap biedt een gewild voordeel:informatie die in de fase is opgeslagen, is veel beter beschermd tegen fouten dan met alternatieve opstellingen die momenteel in kwantumcomputers worden gebruikt. Als gevolg hiervan kan de informatie bestaan ​​zonder veel langer verminkt te raken, een belangrijke mijlpaal om quantum computing levensvatbaar te maken, zegt hoofdauteur Philipp Dumitrescu van het onderzoek.

Het gebruik van een "extra" tijdsdimensie "door de benadering is een heel andere manier van denken over fasen van materie", zegt Dumitrescu, die aan het project werkte als onderzoeksmedewerker bij het Center for Computational Quantum Physics van het Flatiron Institute in New York City. "Ik werk al meer dan vijf jaar aan deze theorie-ideeën, en het is opwindend om ze in experimenten werkelijkheid te zien worden."

Dumitrescu leidde de theoretische component van de studie met Andrew Potter van de Universiteit van British Columbia in Vancouver, Romain Vasseur van de Universiteit van Massachusetts, Amherst, en Ajesh Kumar van de Universiteit van Texas in Austin. De experimenten werden uitgevoerd op een kwantumcomputer in Quantinuum in Broomfield, Colorado, door een team onder leiding van Brian Neyenhuis.

De werkpaarden van de kwantumcomputer van het team zijn 10 atomaire ionen van een element dat ytterbium wordt genoemd. Elk ion wordt afzonderlijk vastgehouden en gecontroleerd door elektrische velden die worden geproduceerd door een ionenval, en kan worden gemanipuleerd of gemeten met laserpulsen.

Elk van die atomaire ionen dient als wat wetenschappers een kwantumbit of 'qubit' noemen. Terwijl traditionele computers informatie kwantificeren in bits (elk staat voor een 0 of een 1), gebruiken de qubits die door kwantumcomputers worden gebruikt de vreemdheid van de kwantummechanica om nog meer informatie op te slaan. Net zoals de kat van Schrödinger zowel dood als levend in zijn doos is, kan een qubit een 0, een 1 of een mashup - of "superpositie" - van beide zijn. Die extra informatiedichtheid en de manier waarop qubits met elkaar omgaan, beloven kwantumcomputers in staat te stellen rekenproblemen aan te pakken die ver buiten het bereik van conventionele computers liggen.

Er is echter een groot probleem:net zoals gluren in de doos van Schrödinger het lot van de kat bezegelt, geldt dat ook voor interactie met een qubit. En die interactie hoeft niet eens opzettelijk te zijn. "Zelfs als je alle atomen strak onder controle houdt, kunnen ze hun kwantumvermogen verliezen door met hun omgeving te praten, op te warmen of interactie aan te gaan met dingen op manieren die je niet had gepland", zegt Dumitrescu. "In de praktijk hebben experimentele apparaten veel foutenbronnen die de coherentie al na een paar laserpulsen kunnen verminderen."

De uitdaging is daarom om qubits robuuster te maken. Om dat te doen, kunnen natuurkundigen 'symmetrieën' gebruiken, in wezen eigenschappen die verandering kunnen weerstaan. (Een sneeuwvlok heeft bijvoorbeeld rotatiesymmetrie omdat hij er hetzelfde uitziet als hij 60 graden wordt gedraaid.) Een methode is het toevoegen van tijdsymmetrie door de atomen te beschieten met ritmische laserpulsen. Deze aanpak helpt, maar Dumitrescu en zijn medewerkers vroegen zich af of ze verder konden gaan. Dus in plaats van slechts één tijdsymmetrie, wilden ze er twee toevoegen door geordende maar niet-repeterende laserpulsen te gebruiken.

De beste manier om hun benadering te begrijpen, is door iets anders te beschouwen dat geordend is maar niet-herhalend:'quasikristallen'. Een typisch kristal heeft een regelmatige, herhalende structuur, zoals de zeshoeken in een honingraat. Een quasikristal heeft nog steeds orde, maar zijn patronen herhalen zich nooit. (Penrose-betegeling is hier een voorbeeld van.) Nog verbijsterender is dat quasikristallen kristallen zijn uit hogere dimensies die worden geprojecteerd, of naar beneden worden gedrukt, in lagere dimensies. Die hogere dimensies kunnen zelfs verder gaan dan de drie dimensies van de fysieke ruimte:een 2D Penrose-betegeling is bijvoorbeeld een geprojecteerde plak van een 5D-rooster.

Voor de qubits stelden Dumitrescu, Vasseur en Potter in 2018 voor om een ​​quasikristal in tijd in plaats van ruimte te creëren. Terwijl een periodieke laserpuls zou afwisselen (A, B, A, B, A, B, enz.), creëerden de onderzoekers een quasi-periodiek laserpulsregime op basis van de Fibonacci-reeks. In zo'n reeks is elk deel van de reeks de som van de twee voorgaande delen (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, enz.). Deze opstelling is, net als een quasikristal, geordend zonder herhaling. En, verwant aan een quasikristal, is het een 2D-patroon dat in een enkele dimensie is geplet. Die dimensionale afvlakking resulteert theoretisch in twee tijdsymmetrieën in plaats van slechts één:het systeem krijgt in wezen een bonussymmetrie van een niet-bestaande extra tijdsdimensie.

Echte kwantumcomputers zijn echter ongelooflijk complexe experimentele systemen, dus of de voordelen die door de theorie worden beloofd, stand zouden houden in echte qubits, bleef onbewezen.

Met behulp van Quantinuums kwantumcomputer stelden de experimentatoren de theorie op de proef. Ze pulseerden laserlicht naar de qubits van de computer, zowel periodiek als met behulp van de reeks op basis van de Fibonacci-getallen. De focus lag op de qubits aan beide uiteinden van de 10-atoomreeks; dat is waar de onderzoekers verwachtten dat de nieuwe fase van materie twee tijdsymmetrieën tegelijk zou ervaren. In de periodieke test bleven de edge-qubits ongeveer 1,5 seconde kwantum - al een indrukwekkende lengte aangezien de qubits sterk met elkaar in wisselwerking stonden. Met het quasi-periodieke patroon bleven de qubits kwantum gedurende de gehele duur van het experiment, ongeveer 5,5 seconden. Dat komt omdat de extra tijdsymmetrie meer bescherming bood, zegt Dumitrescu.

"Met deze quasi-periodieke reeks is er een gecompliceerde evolutie die alle fouten die aan de rand leven, opheft", zegt hij. "Daarom blijft de rand kwantummechanisch coherent veel, veel langer dan je zou verwachten."

Hoewel de bevindingen aantonen dat de nieuwe fase van materie kan fungeren als langetermijnopslag van kwantuminformatie, moeten de onderzoekers de fase nog steeds functioneel integreren met de computationele kant van kwantumcomputing. "We hebben deze directe, prikkelende toepassing, maar we moeten een manier vinden om het in de berekeningen te haken", zegt Dumitrescu. "Dat is een open probleem waar we aan werken." + Verder verkennen

Cooper-paren verdubbelen om qubits in kwantumcomputers te beschermen tegen ruis