По словам ученых, новый подход «эффективно позволяет им объединить два временных измерения в одно временное направление» и сделать квантовые кубиты более стабильными.
Работа кубита может быть напряженной. Чтобы информация перемещалась внутри квантового компьютера, кубиты должны подвергаться отрицательным температурам близким к абсолютному нулю (примерно -460 градусов по Фаренгейту) и отключаться от отвлекающих внешних факторов, таких как рассеянные магнитные и электрические поля или «перекрёстные помехи» от соседних элементов устройства.
Эти помехи могут создавать ошибки в квантовых системах и лишать кубиты возможности удерживать информацию, проходящую через них. Разработка способов устранения этих ошибок — один из самых больших открытых вопросов квантовых вычислений. Теперь группа физиков открыла новый способ игнорировать эти ошибки, используя теорию из школьных уроков математики и двухмерное время, то есть время, существующее в двух измерениях.
Это близкое к сенсационному открытие подробно описано в новой статье, опубликованной на днях в журнале Nature. Соавтор Эндрю Поттер, доцент физики в Университете Британской Колумбии объясняет, что, хотя эта работа посвящена новым фазам материи, она все же во многом отличается от твердой, жидкой и газовой фаз, которые обычно подразумевают под состоянием вещества.
«Современный способ думать о фазах материи — определить фазу как область пространства параметров, где вы можете перемещаться, не сталкиваясь с фазовым переходом», — объясняет Поттер. «Например, твердое тело не сразу превращается в жидкость, если его нагреть, а только если нагреть его выше критической температуры, его точки плавления».
Вместо того, чтобы наблюдать за тем, как температура может преобразовывать материю, Поттер и его коллеги вместо этого сосредоточились на том, как время может поддерживать границы около фазы, чтобы создать нечто, называемое «динамической топологической фазой». В этом случае фазовые изменения вызываются не температурой, а ошибками в квантовой системе.
По словам Поттера, сохраняя свою систему в этой фазе, команда показала, что они могут защитить кубиты от класса ошибок, которые угрожают их разрушению. Однако, чтобы на самом деле поддерживать такое состояние, этим кубитам нужно нечто, что кажется невозможным: двумерное время.
Чтобы осуществить это, команда обратилась к исторической и плодотворной модели в математике, называемой последовательностью Фибоначчи. Впервые систематизированная в 1100-х годах итальянским математиком, последовательность Фибоначчи описывает ряд чисел, в котором каждое число является суммой двух предшествующих ему чисел, и часто связывается с формами математической красоты в природе, например, со спиралью из семечек подсолнуха.
Для целей своей работы Поттера и его коллег больше интересовало соотношение между этими числами и то, как оно может помочь им направить лазеры на захваченные кубиты.
«Последовательность Фибоначчи — это неповторяющаяся, но и не полностью случайная последовательность, которая эффективно позволяет нам реализовать два независимых измерения времени в системе», — сказал Поттер.
По сути, природа последовательности Фибоначчи создала квазипериодический ритм, который имеет сходство с другим странным типом физики, называемым квазикристаллом. В то время как типичный кристалл будет иметь как упорядоченную, так и повторяющуюся структуру (например, соты), квазикристалл будет иметь порядок, но не повторение. Это связано с тем, что квазикристалл на самом деле представляет собой 1- или 2-мерную проекцию формы более высокого измерения (или как бы сплющивание более высокой размерности).
Ученые определили, что точно так же, как квазикристаллы скрывают дополнительные измерения, квазипериодическая последовательность, подобная последовательности Фибоначчи, может скрывать дополнительное измерение во времени.
«Это эффективно позволяет нам объединить два временных измерения в одно временное направление, чтобы мы могли полностью динамически защищать граничные кубиты», — говорит Поттер.
Команда проверила это на захваченных кубитах в квантовом компьютере и обнаружила, что эти лазерные импульсы способны сохранять кубиты стабильными в течение всего эксперимента (около 5,5 секунд) по сравнению с 1,5 секундами для простых периодических лазерных импульсов.
Хотя этот результат далек от устранения всех квантовых ошибок, он является ранним свидетельством того, что такой подход может помочь улучшить квантовую память и вычисления в будущем, сказал Поттер.
«Это показывает, что, по крайней мере в принципе, существуют способы манипулирования и управления квантовыми системами, которые в значительной степени нечувствительны к ошибкам и важному классу ошибок, которые, как я оптимистично настроен, могут быть полезны в долгосрочной перспективе», — сказал он.
