新階段是通過在量子計(jì)算機(jī)內(nèi)向 10 個(gè)鐿離子發(fā)射激光制成的

通過向量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的原子發(fā)射斐波那契激光脈沖，物理學(xué)家創(chuàng)造了一種全新的、奇怪的物質(zhì)相，其行為方式就好像它具有兩個(gè)時(shí)間維度。

通過使用激光有節(jié)奏地?fù)u動(dòng)一串 10 個(gè)鐿離子而產(chǎn)生的新物質(zhì)相，使科學(xué)家能夠以一種更加不受錯(cuò)誤保護(hù)的方式存儲(chǔ)信息，從而為可以長(zhǎng)時(shí)間保存數(shù)據(jù)的量子計(jì)算機(jī)開辟了道路時(shí)間不會(huì)變得亂碼。研究人員在 7 月 20 日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中概述了他們的發(fā)現(xiàn)。

物理學(xué)家并沒有著手創(chuàng)建具有理論上額外時(shí)間維度的階段，他們也沒有尋找一種方法來實(shí)現(xiàn)更好的量子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。相反，他們感興趣的是創(chuàng)造一個(gè)新的物質(zhì)階段——一種物質(zhì)可以存在的新形式，超越標(biāo)準(zhǔn)的固體、液體、氣體、等離子體。

他們著手在量子計(jì)算機(jī)公司 Quantinuum 的 H1 量子處理器中構(gòu)建新階段，該處理器由真空室中的 10 個(gè)鐿離子組成，這些離子由稱為離子阱的設(shè)備中的激光精確控制。

普通計(jì)算機(jī)使用位或 0 和 1 來構(gòu)成所有計(jì)算的基礎(chǔ)。量子計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)為使用量子比特，它也可以以 0 或 1 的狀態(tài)存在。但這只是相似之處的結(jié)束。由于量子世界的奇異定律，量子比特可以以 0 和 1 狀態(tài)的組合或疊加形式存在，直到它們被測(cè)量的那一刻，它們隨機(jī)坍縮成 0 或 1。

這種奇怪的行為是量子計(jì)算能力的關(guān)鍵，因?yàn)樗试S量子比特通過量子糾纏連接在一起，這一過程被阿爾伯特愛因斯坦稱為“遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)”。糾纏將兩個(gè)或多個(gè)量子比特相互耦合，將它們的屬性聯(lián)系起來，因此一個(gè)粒子的任何變化都會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)粒子的變化，即使它們相距很遠(yuǎn)。這使量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算，與經(jīng)典設(shè)備相比，它們的處理能力呈指數(shù)級(jí)提升。

但是量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展受到一個(gè)大缺陷的阻礙：量子比特不僅相互作用，而且相互糾纏。因?yàn)樗鼈儾荒芘c量子計(jì)算機(jī)外部的環(huán)境完全隔離，它們也會(huì)與外部環(huán)境相互作用，從而導(dǎo)致它們失去量子特性以及它們攜帶的信息，這個(gè)過程稱為退相干。

為了解決這些討厭的退相干效應(yīng)并創(chuàng)建一個(gè)新的穩(wěn)定相，物理學(xué)家研究了一組稱為拓?fù)?/a>相的特殊相。量子糾纏不僅使量子設(shè)備能夠在量子比特的奇異靜態(tài)位置上編碼信息，而且還能夠?qū)⑺鼈兙幙椀秸麄€(gè)材料的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和相互作用中——以材料糾纏態(tài)的形狀或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). 這創(chuàng)建了一個(gè)“拓?fù)洹绷孔游?，它以由多個(gè)部分而不是單獨(dú)一個(gè)部分形成的形狀對(duì)信息進(jìn)行編碼，從而使相位丟失信息的可能性大大降低。

從一個(gè)階段移動(dòng)到另一個(gè)階段的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志是物理對(duì)稱性的破壞——即物理定律在任何時(shí)間或空間點(diǎn)上對(duì)于一個(gè)物體都是相同的。作為液體，水中的分子在空間的每個(gè)點(diǎn)和每個(gè)方向都遵循相同的物理定律。但是，如果你將水冷卻到足以將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸姆肿泳蜁?huì)沿著晶體結(jié)構(gòu)或晶格選擇規(guī)則點(diǎn)，將它們自己排列起來。突然間，水分子在空間中占據(jù)了首選點(diǎn)，而其他點(diǎn)則空無一人；水的空間對(duì)稱性自發(fā)地被打破了。

在量子計(jì)算機(jī)內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)新的拓?fù)湎嘁惨蕾囉趯?duì)稱性破缺，但在這個(gè)新相中，對(duì)稱性不是在空間上被打破，而是在時(shí)間上被打破。

通過使鏈中的每個(gè)離子與激光發(fā)生周期性震動(dòng)，物理學(xué)家希望打破靜止離子的連續(xù)時(shí)間對(duì)稱性并強(qiáng)加它們自己的時(shí)間對(duì)稱性——其中量子比特在一定的時(shí)間間隔內(nèi)保持不變——這將創(chuàng)造貫穿材料的有節(jié)奏的拓?fù)潆A段。

但實(shí)驗(yàn)失敗了。常規(guī)的激光脈沖并沒有誘導(dǎo)不受退相干效應(yīng)影響的拓?fù)湎辔?，而是放大了來自系統(tǒng)外部的噪聲，在開啟后不到 1.5 秒就將其摧毀。

在重新考慮實(shí)驗(yàn)后，研究人員意識(shí)到要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)更強(qiáng)大的拓?fù)湎?，他們需要在離子鏈中打結(jié)不止一次的對(duì)稱性，以降低系統(tǒng)被打亂的幾率。為了做到這一點(diǎn)，他們決定尋找一種脈沖模式，這種模式不會(huì)簡(jiǎn)單而有規(guī)律地重復(fù)，但在時(shí)間上卻表現(xiàn)出某種更高的對(duì)稱性。

這將他們引向了斐波那契序列，其中序列的下一個(gè)數(shù)字是通過將前兩個(gè)相加來創(chuàng)建的。雖然一個(gè)簡(jiǎn)單的周期性激光脈沖可能只是在兩個(gè)激光源（A、B、A、B、A、B 等）之間交替，但它們的新脈沖序列通過組合之前的兩個(gè)脈沖（A、AB、 ABA、ABAAB、ABAABABA 等）。

這種斐波那契脈沖創(chuàng)造了一種時(shí)間對(duì)稱性，就像空間中的準(zhǔn)晶體一樣，被有序排列，從不重復(fù)。就像準(zhǔn)晶體一樣，斐波那契脈沖也將更高維度的圖案擠壓到更低維度的表面上。在諸如彭羅斯平鋪的空間準(zhǔn)晶體的情況下，五維晶格的切片被投影到二維表面上。在查看斐波那契脈沖模式時(shí)，我們看到兩個(gè)理論時(shí)間對(duì)稱性被扁平化為一個(gè)物理時(shí)間對(duì)稱性。

彭羅斯平鋪的一個(gè)例子

研究人員在聲明中寫道：“該系統(tǒng)基本上從不存在的額外時(shí)間維度中獲得了額外的對(duì)稱性?！?該系統(tǒng)似乎是一種存在于具有兩個(gè)時(shí)間維度的更高維度的材料——即使這在現(xiàn)實(shí)中可能在物理上是不可能的。

當(dāng)團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)，新的準(zhǔn)周期斐波那契脈沖創(chuàng)建了一個(gè)地形階段，可以保護(hù)系統(tǒng)在整個(gè) 5.5 秒的測(cè)試期間不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。事實(shí)上，他們創(chuàng)造了一個(gè)比其他相位更長(zhǎng)時(shí)間不受退相干影響的相位。