default | grid-3 | grid-2

Post per Page

Forskare spränger atomer med Fibonacci-laser för att skapa en "extra" dimension av tid


Forskare har producerat en helt ny, bisarr fas av materia som fungerar som om den har två dimensioner av tid genom att rikta en Fibonacci-laserstråle mot atomer i en kvantdator.


Den nya fasen av materia, som producerades genom att rytmiskt jiggla en sträng av 10 ytterbiumjoner med lasrar, gör det möjligt för forskare att lagra information på ett sätt som är betydligt mer felskyddat, vilket banar väg för kvantdatorer som kan lagra data för en mycket lång tid utan att bli rörig. I en rapport som publicerades den 20 juli i tidskriften Nature presenterade forskarna sina resultat i detalj.


Inkluderandet av en teoretisk "extra" tidsdimension "är ett helt annat sätt att tänka om faser av materia", säger huvudförfattaren Philipp Dumitrescu, en forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Quantum Physics i New York City, i ett uttalande . "Jag har arbetat med dessa teoriidéer i över fem år, och det är spännande att se dem förverkligas i experiment."


Fysikerna försökte inte uppfinna en fas med en hypotetisk extra tidsdimension, och de letade inte heller efter ett sätt att förbättra kvantdatalagring. Istället försökte de utveckla en ny fas av materia, en som gick utöver de konventionella fasta, flytande, gas- och plasmatillstånden.


De satte igång att bygga den nya fasen i kvantdatorföretaget Quantinuums H1 kvantprocessor, som består av 10 ytterbiumjoner i en vakuumkammare som styrs exakt av lasrar i en anordning som kallas en jonfälla.


Vanliga datorer använder bitar, eller 0:or och 1:or, för att ligga till grund för alla beräkningar. Kvantdatorer är designade för att använda qubits, som också kan existera i ett tillstånd av 0 eller 1. Men det är ungefär där likheterna slutar. Tack vare kvantvärldens bisarra lagar kan qubits existera i en kombination, eller superposition, av både 0- och 1-tillstånden tills det ögonblick de mäts, då de slumpmässigt kollapsar till antingen en 0 eller en 1.


Detta märkliga beteende är nyckeln till kraften i kvantberäkning, eftersom det tillåter kvantbitar att länka samman genom kvantförveckling, en process som Albert Einstein kallade "läskig handling på avstånd." Entanglement kopplar två eller flera qubits till varandra, kopplar deras egenskaper så att varje förändring i en partikel kommer att orsaka en förändring i den andra, även om de är åtskilda av stora avstånd. Detta ger kvantdatorer möjligheten att utföra flera beräkningar samtidigt, vilket exponentiellt ökar deras processorkraft jämfört med klassiska enheter.


Men utvecklingen av kvantdatorer hålls tillbaka av ett stort fel: Qubits interagerar inte bara och trasslar in sig med varandra; eftersom de inte kan isoleras perfekt från miljön utanför kvantdatorn, interagerar de också med den yttre miljön, vilket gör att de förlorar sina kvantegenskaper, och den information de bär, i en process som kallas dekoherens.


"Även om du håller alla atomer under noggrann kontroll, kan de förlora sin " kvantitet " genom att prata med sin omgivning, värma upp eller interagera med saker på ett sätt som du inte planerat, sa Dumitrescu.


För att komma runt dessa irriterande dekoherenseffekter och skapa en ny, stabil fas, tittade fysikerna på en speciell uppsättning faser som kallas topologiska faser. Kvantintrassling gör det inte bara möjligt för kvantenheter att koda information över de singulära, statiska positionerna för qubits, utan också att väva in dem i de dynamiska rörelserna och interaktionerna av hela materialet - i själva formen, eller topologin, av materialets intrasslade tillstånd . Detta skapar en " topologisk " qubit som kodar information i den form som bildas av flera delar snarare än en del ensam, vilket gör att fasen är mycket mindre sannolikt att förlora sin information.


Ett viktigt kännetecken för att flytta från en fas till en annan är brytandet av fysiska symmetrier - tanken att fysikens lagar är desamma för ett objekt när som helst i tid eller rum. Som en vätska följer molekylerna i vatten samma fysiska lagar vid varje punkt i rymden och i alla riktningar. Men om du kyler vatten tillräckligt mycket så att det förvandlas till is, kommer dess molekyler att plocka regelbundna punkter längs en kristallstruktur, eller gitter, för att ordna sig tvärs över. Plötsligt har vattenmolekylerna föredragna punkter i rymden att ockupera, och de lämnar de andra punkterna tomma; vattnets rumsliga symmetri har spontant brutits.


Att skapa en ny topologisk fas inuti en kvantdator är också beroende av symmetribrott, men med denna nya fas bryts symmetrin inte över rymden, utan tiden.


Genom att ge varje jon i kedjan ett periodiskt stöt med lasrarna, ville fysikerna bryta den kontinuerliga tidssymmetrin för jonerna i vila och införa sin egen tidssymmetri - där qubits förblir desamma över vissa tidsintervall - som skulle skapa en rytmisk topologisk fas över materialet.


Men experimentet misslyckades. Istället för att inducera en topologisk fas som var immun mot dekoherenseffekter, förstärkte de vanliga laserpulserna bruset från utsidan av systemet och förstörde det mindre än 1,5 sekunder efter att det slogs på.


Efter att ha omprövat experimentet insåg forskarna att för att skapa en mer robust topologisk fas, skulle de behöva knyta mer än en tidssymmetri i jonsträngen för att minska risken för att systemet ska förvrängas. För att göra detta bestämde de sig för att hitta ett pulsmönster som inte upprepades enkelt och regelbundet men som ändå visade någon form av högre symmetri över tiden.


Detta ledde dem till Fibonacci-sekvensen, där nästa nummer i sekvensen skapas genom att lägga till de två föregående. Medan en enkel periodisk laserpuls bara kan växla mellan två laserkällor (A, B, A, B, A, B och så vidare), körde deras nya pulståg istället genom att kombinera de två pulserna som kom före (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.).


Denna Fibonacci-pulsering skapade en tidssymmetri som, precis som en kvasikristall i rymden, beställdes utan att någonsin upprepas. Och precis som en kvasikristall, pressar Fibonacci-pulserna också ett högre dimensionellt mönster på en lägre dimensionell yta. I fallet med en rumslig kvasikristall, såsom Penrose-plattor, projiceras en skiva av ett femdimensionellt gitter på en tvådimensionell yta. När vi tittar på Fibonacci-pulsmönstret ser vi två teoretiska tidssymmetrier som plattas ut till en enda fysisk.



Ett exempel på plattsättning av penrose (Bildkredit: Shutterstock)


"Systemet får i huvudsak en bonussymmetri från en obefintlig extra tidsdimension", skrev forskarna i uttalandet. Systemet framstår som ett material som existerar i någon högre dimension med två dimensioner av tid - även om detta kan vara fysiskt omöjligt i verkligheten.


När teamet testade det skapade den nya kvasiperiodiska Fibonacci-pulsen en topografisk fas som skyddade systemet från dataförlust under hela 5,5 sekunder av testet. De hade faktiskt skapat en fas som var immun mot dekoherens mycket längre än andra.


"Med denna kvasi-periodiska sekvens finns det en komplicerad evolution som tar bort alla fel som lever på kanten," sa Dumitrescu. "På grund av det förblir kanten kvantmekaniskt koherent mycket, mycket längre än du förväntar dig."


Även om fysikerna uppnådde sitt mål återstår ett hinder för att göra deras fas till ett användbart verktyg för kvantprogrammerare: att integrera den med beräkningssidan av kvantberäkning så att den kan matas in med beräkningar.


"Vi har den här direkta, lockande applikationen, men vi måste hitta ett sätt att koppla in den i beräkningarna," sa Dumitrescu. "Det är ett öppet problem vi arbetar med."


Referens(er): Natur

No comments

Error Page Image

Error Page Image

Oooops.... Could not find it!!!

The page you were looking for, could not be found. You may have typed the address incorrectly or you may have used an outdated link.

Go to Homepage

Källtext