Fibonacci lazeriu pasiųsdami impulsą į kvantinio kompiuterio viduje esančius atomus, fizikai sukūrė visiškai naują, keistą materijos fazę, kuri elgiasi taip, tarsi turėtų dvi laiko dimensijas. Naujoji materijos fazė, sukurta lazeriais ritmiškai judinant 10 iterbio jonų grandinę, leidžia mokslininkams saugoti informaciją kur kas labiau nuo klaidų apsaugotu būdu.
Fibonacci lazeriu pasiųsdami impulsą į kvantinio kompiuterio viduje esančius atomus, fizikai sukūrė visiškai naują, keistą materijos fazę, kuri elgiasi taip, tarsi turėtų dvi laiko dimensijas, rašo „Live Science“.
Asociatyvi „Pixabay“ nuotr.
Naujoji materijos fazė, sukurta lazeriais ritmiškai judinant 10 iterbio jonų grandinę, leidžia mokslininkams saugoti informaciją kur kas labiau nuo klaidų apsaugotu būdu, taip atveriant kelią kvantiniams kompiuteriams, kurie gali užtikrinti patikimą ilgalaikę duomenų apsaugą.
Teorinės „papildomos“ laiko dimensijos įtraukimas – tai „visiškai kitoks mąstymo apie materijos fazes būdas, – savo pranešime teigė Niujorke įsikūrusio Flatirono instituto Skaičiavimo kvantinės fizikos centro mokslininkas Philippas Dumitrescu. – Aš su šiomis teorinėmis idėjomis dirbu jau daugiau nei penkerius metus ir man be galo džiugu matyti, kaip jos įgyvendinamos eksperimentuose.“
Fizikai nesiekė sukurti fazės su teoriniu papildomu laiko matmeniu ir neieškojo metodo, leidžiančio patikimiau saugoti kvantinius duomenis. Jie siekė sukurti naują materijos fazę – naują formą, kurioje materija galėtų egzistuoti už standartinių kietos, skystos, dujinės ir plazminės būsenos ribų.
Naująją fazę jie kūrė kvantinių kompiuterių bendrovės „Quantinuum“ pagamintu H1 kvantiniu procesoriumi, sudarytų iš 10 iterbio jonų vakuuminėje kameroje, kuriuos jonų gaudykle vadinamame įrenginyje tiksliai valdo lazeriai.
Įprasti kompiuteriai kaip skaičiavimų pagrindą naudoja bitus arba 0 ir 1. Kvantiniai kompiuteriai naudoja kubitus, kurie taip pat gali egzistuoti 0 arba 1 būsenoje. Tačiau čia bet kokie panašumai baigiasi. Dėl keistų kvantinio pasaulio dėsnių kubitai gali egzistuoti 0 ir 1 būsenų derinyje arba superpozicijoje iki to momento, kai yra išmatuojami, – tą akimirką jie atsitiktinai sukrinta į 0 arba 1.
Šis keistas elgesys yra kvantinio duomenų apdorojimo galios pagrindas, leidžiantis kubitams jungtis kvantinio susisiejimo – proceso, kurį Albertas Einsteinas pavadino „šiurpiu veiksmu per atstumą“ – būdu. Susisiejimo metu vienas su kitu susijungia du ar daugiau kubitų, o jų savybės susisaisto taip, kad bet koks vienos dalelės pasikeitimas lemia pasikeitimus ir kitoje, net jei jas skiria dideli atstumai. Tai suteikia kvantiniams kompiuteriams galimybę vienu metu atlikti kelis skaičiavimus ir eksponentiškai padidina jų informacijos apdorojimo galią, lyginant su klasikiniais įrenginiais.
Tačiau kvantinių kompiuterių vystymąsi stabdo didelis trūkumas – kubitai sąveikauja ir susisieja ne tik vienas su kitu; jie negali būti visiškai izoliuoti nuo aplinkos už kvantinio kompiuterio ribų, todėl jie taip pat sąveikauja su išorine aplinka ir praranda savo kvantines savybes bei pernešamą informaciją – šis procesas vadinamas dekoherencija.
„Net jei griežtai kontroliuojate visus atomus, jie gali prarasti savo „kvantiškumą“ bendraudami su aplinka, įkaisdami ar sąveikaudami su kitais objektais taip, kaip jūs neplanavote“, – aiškino Ph. Dumitrescu.
Siekdami išvengti nepageidaujamo dekohercijos poveikio ir sukurti naują, stabilią fazę, fizikai ieškojo specialaus, topologinėmis fazėmis vadinamo fazių rinkinio. Kvantinis susisiejimas ne tik leidžia kvantiniams įrenginiams užkoduoti informaciją atskirose, statinėse kubitų pozicijose, bet ir įtraukti juos į visos medžiagos dinaminius judesius ir sąveikas – pagal medžiagos susisiejusių būsenų formą arba topologiją. Taip sukuriamas „topologinis“ kubitas, koduojantis informaciją formoje, kurią sudaro ne viena, o kelios dalys, todėl ši fazė daug rečiau praranda informaciją.
Pagrindinis perėjimo iš vienos fazės į kitą požymis yra fizinės simetrijos – idėjos, kad fizikos dėsniai yra vienodi objektui bet kuriame laiko ar erdvės taške – laužymas. Skystos būsenos vandenyje esančios molekulės laikosi tų pačių fizikinių dėsnių kiekviename erdvės taške ir visomis kryptimis. Tačiau pakankamai atvėsinus vandenį, kad jis virstų ledu, jo molekulės pasirinks taisyklingus taškus išilgai kristalinės struktūros arba gardelės ir pagal juos išsidėstys. Staiga vandens molekulės nusprendžia užimti erdvės taškus, palikdamos kitus taškus tuščius, – vandens erdvinė simetrija spontaniškai pažeidžiama.
Kuriant naują topologinę fazę kvantiniame kompiuteryje taip pat suardoma simetrija, tačiau ne erdvėje, o laike.
Periodiškai lazeriu sujudindami kiekvieną grandinėje esantį joną, fizikai norėjo suardyti ramybės būsenos jonų nuolatinę laiko simetriją ir nustatyti savo laiko simetriją – kai kubitai tam tikrais laiko intervalais išlieka tokie patys – tai visoje medžiagoje sukurtų ritminę topologinę fazę.
Tačiau eksperimentas nepavyko. Užuot padėję sukurti topologinę fazę, kuri būtų atspari dekoherencijos poveikiui, įprasti lazerio impulsai sustiprino išorės triukšmą ir sunaikino ją greičiau nei per 1,5 sekundės po įjungimo.
Persvarstę eksperimentą, tyrėjai suprato, kad norint sukurti tvirtesnę topologinę fazę, jiems reikės į jonų grandinę įpinti daugiau nei vieną laiko simetriją – tai padės sumažinti sistemos susijaukimo tikimybę. Norėdami tai padaryti, jie nusprendė rasti pulso modelį, kuris nesikartotų paprastai ir reguliariai, bet laikui bėgant vis dėlto demonstruotų tam tikrą aukštesnę simetriją.
Tai atvedė juos iki Finobacci sekos, kurios kiekvienas paskesnis skaičius lygus dviejų prieš jį einančių skaičių sumai. Paprastas periodinis lazerio impulsas gali tiesiog pakaitomis keistis tarp dviejų lazerio šaltinių (A, B, A, B, A, B ir t. t.), o naujojoje impulsų sekoje buvo sujungiami du anksčiau buvę impulsai (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA ir t. t.).
Šis Finobacci pulsavimas sukūrė laiko simetriją, kuri, kaip ir kvazikristalas erdvėje, nesikartojo. Ir, kaip kvazikristalo atveju, Fibonacci impulsai užspaudžia aukštesnio matmens raštą ant žemesnio matmens paviršiaus. Erdvinio kvazikristalo, pavyzdžiui, „Penrose“ plytelių, atveju penkiamatės gardelės dalis projektuojama ant dvimačio paviršiaus. Žvelgdami į Fibonacci impulsų modelį, matome, kad dvi teorinės laiko simetrijos susilieja į vieną fizinę.
„Sistema iš esmės gauna papildomą simetriją dėl neegzistuojančios papildomos laiko dimensijos“, – savo pranešime rašė tyrėjai. Sistema atrodo kaip medžiaga, kuri egzistuoja kažkokiame aukštesniame matmenyje su dviem laiko dimensijomis – net jei realybėje tai gali būti fiziškai neįmanoma.
Mokslininkams jį išbandžius, naujasis kvaziperiodinis Fibonacci impulsas sukūrė topografinę fazę, kuri apsaugojo sistemą nuo duomenų praradimo per visas 5,5 bandymo sekundes. Iš tiesų, jie sukūrė fazę, kuri buvo atspari dekoherencijai daug ilgiau nei bet kuri kita.
Nors fizikams pavyko pasiekti išsikeltą tikslą, lieka viena kliūtis, trukdanti paversti jų sukurtą fazę naudinga priemone kvantiniams programuotojams, – jos integracija į kvantinio kompiuterio skaičiavimo pajėgumus, kad ja būtų galima naudotis atliekant skaičiavimus.
