Faza e çuditshme e re e materies e krijuar në kompjuterin kuantik vepron sikur të ketë dy dimensione kohore

Duke ndriçuar një sekuencë pulsi lazer të frymëzuar nga numrat e Fibonaçit në atomet brenda një kompjuteri kuantik, fizikantët kanë krijuar një fazë të jashtëzakonshme, të paparë më parë të materies. Faza ka përfitimet e dy dimensioneve kohore, pavarësisht se ekziston ende vetëm një rrjedhë e vetme e kohës, raportojnë fizikantët më 20 korrik në Nature.

Kjo veçori tërheqëse ofron një përfitim të kërkuar: Informacioni i ruajtur në fazë është shumë më i mbrojtur nga gabimet sesa me konfigurimet alternative të përdorura aktualisht në kompjuterët kuantikë. Si rezultat, informacioni mund të ekzistojë pa u ngatërruar për shumë më gjatë, një moment historik i rëndësishëm për ta bërë kompjuterin kuantik të zbatueshëm, thotë autori kryesor i studimit, Philipp Dumitrescu.

Përdorimi i një dimensioni kohor “shtesë” nga përqasja “është një mënyrë krejtësisht e ndryshme e të menduarit për fazat e materies”, thotë Dumitrescu, i cili ka punuar në projekt si studiues në Qendrën për Fizikën Kuantike Kompjuterike të Institutit Flatiron në qytetin e Nju Jorkut. “Unë kam punuar në këto ide teorike për më shumë se pesë vjet, dhe të shohësh ato duke u realizuar në të vërtetë në eksperimente është emocionuese.”

Dumitrescu udhëhoqi komponentin teorik të studimit me Andrew Potter të Universitetit të Kolumbisë Britanike në Vankuver, Romain Vasseur nga Universiteti i Massachusetts, Amherst dhe Ajesh Kumar nga Universiteti i Teksasit në Austin. Eksperimentet u kryen në një kompjuter kuantik në Quantinuum në Broomfield, Kolorado, nga një ekip i udhëhequr nga Brian Neyenhuis.

Kuajt e punës së kompjuterit kuantik të ekipit janë 10 jone atomike të një elementi të quajtur yterbium. Çdo jon mbahet dhe kontrollohet individualisht nga fushat elektrike të prodhuara nga një kurth jonesh dhe mund të manipulohet ose matet duke përdorur impulse lazer.

Secili prej këtyre joneve atomike shërben si ajo që shkencëtarët e quajnë një bit kuantik, ose “qubit”. Ndërsa kompjuterët tradicionalë e përcaktojnë sasinë e informacionit në bit (secili përfaqëson një 0 ose një 1), kubitët e përdorur nga kompjuterët kuantikë përdorin çuditshmërinë e mekanikës kuantike për të ruajtur edhe më shumë informacion. Ashtu si macja e Schrödinger është e vdekur dhe e gjallë në kutinë e saj, një kubit mund të jetë një 0, një 1 ose një përzierje – ose “superpozicioni” – i të dyjave. Kjo densitet shtesë informacioni dhe mënyra se si kubitët ndërveprojnë me njëri-tjetrin premtojnë të lejojnë kompjuterët kuantikë të trajtojnë problemet llogaritëse shumë përtej mundësive të kompjuterëve konvencionalë.

Megjithatë, ka një problem të madh: Ashtu si shikimi në kutinë e Schrödinger-it vulos fatin e maces, po ashtu edhe ndërveprimi me një kubit. Dhe ky ndërveprim as nuk duhet të jetë i qëllimshëm. “Edhe nëse i mbani të gjithë atomet nën kontroll të rreptë, ata mund të humbasin kuantitetin e tyre duke folur me mjedisin e tyre, duke u ngrohur ose duke ndërvepruar me gjërat në mënyra që nuk i keni planifikuar,” thotë Dumitrescu. “Në praktikë, pajisjet eksperimentale kanë shumë burime gabimi që mund të degradojnë koherencën pas vetëm disa pulseve lazer.”

Prandaj, sfida është t’i bëjmë kubitët më të fortë. Për ta bërë këtë, fizikanët mund të përdorin “simetri”, në thelb veti që qëndrojnë deri në ndryshim. (Një flok bore, për shembull, ka simetri rrotulluese sepse duket e njëjtë kur rrotullohet me 60 gradë.) Një metodë është shtimi i simetrisë kohore duke shpërthyer atomet me impulse ritmike lazer. Kjo qasje ndihmon, por Dumitresku dhe bashkëpunëtorët e tij pyesnin veten nëse mund të shkonin më tej. Pra, në vend të vetëm një simetrie kohore, ata synuan të shtonin dy duke përdorur impulse lazer të renditura, por jo të përsëritura.

Mënyra më e mirë për të kuptuar qasjen e tyre është duke marrë në konsideratë diçka tjetër të renditur por që nuk përsëritet: “kuazikristalet”. Një kristal tipik ka një strukturë të rregullt, të përsëritur, si gjashtëkëndëshat në një huall mjalti. Një kuazikristal ka ende rregull, por modelet e tij nuk përsëriten kurrë. (Penrose tjegulla është një shembull i kësaj.) Akoma më befasues është se kuazikristalet janë kristale nga dimensione më të larta të projektuara, ose të shtypura poshtë, në dimensione më të ulëta. Këto dimensione më të larta mund të jenë edhe përtej tre dimensioneve të hapësirës fizike: Për shembull, një pllakë me penrose 2D është një pjesë e projektuar e një grilë 5-D.

Për kubitët, Dumitrescu, Vasseur dhe Potter propozuan në 2018 krijimin e një kuazikristali në kohë dhe jo në hapësirë. Ndërsa një impuls periodik lazer do të alternonte (A, B, A, B, A, B, etj.), studiuesit krijuan një regjim thuajse periodik lazer-pulsi bazuar në sekuencën Fibonacci. Në një sekuencë të tillë, secila pjesë e sekuencës është shuma e dy pjesëve të mëparshme (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etj.). Ky rregullim, ashtu si një kuazikristal, është i renditur pa u përsëritur. Dhe, e ngjashme me një kuazikristal, është një model 2D i shtypur në një dimension të vetëm. Ky rrafshim dimensional teorikisht rezulton në dy simetri kohore në vend të vetëm një: sistemi në thelb merr një simetri bonus nga një dimension joekzistent i kohës shtesë.

Sidoqoftë, kompjuterët kuantikë aktualë janë sisteme eksperimentale tepër komplekse, kështu që nëse përfitimet e premtuara nga teoria do të zgjasin në kubitët e botës reale mbeti e paprovuar.

Duke përdorur kompjuterin kuantik të Quantinuum, eksperimentalistët e vënë në provë teorinë. Ata pulsuan dritën lazer në kubitët e kompjuterit si në mënyrë periodike ashtu edhe duke përdorur sekuencën e bazuar në numrat Fibonacci. Fokusi ishte te kubitët në të dy skajet e formacionit 10-atomësh; këtu kërkuesit prisnin të shihnin fazën e re të materies duke përjetuar dy simetri kohore njëherësh. Në testin periodik, kubitët e skajeve qëndruan kuantike për rreth 1.5 sekonda – tashmë një gjatësi mbresëlënëse duke pasur parasysh se kubitët ndërveprojnë fuqishëm me njëri-tjetrin. Me modelin pothuajse periodik, kubitët qëndruan kuantikë për të gjithë gjatësinë e eksperimentit, rreth 5.5 sekonda. Kjo sepse simetria e kohës shtesë ofroi më shumë mbrojtje, thotë Dumitresku.

“Me këtë sekuencë pothuajse periodike, ka një evolucion të komplikuar që anulon të gjitha gabimet që jetojnë në skaj,” thotë ai. “Për shkak të kësaj, skaji qëndron koherent kuantik-mekanikisht shumë, shumë më gjatë nga sa prisni.”

Megjithëse gjetjet tregojnë se faza e re e materies mund të veprojë si ruajtje afatgjatë e informacionit kuantik, studiuesit ende duhet të integrojnë funksionalisht fazën me anën llogaritëse të llogaritjes kuantike. “Ne e kemi këtë aplikim të drejtpërdrejtë, joshës, por duhet të gjejmë një mënyrë për ta fiksuar atë në llogaritjet,” thotë Dumitresku. “Ky është një problem i hapur për të cilin po punojmë.”