Многие исследователи занимаются созданием функциональных квантовых компьютеров. Обладая огромной вычислительной мощностью, такие машины обещают множество достижений. Однако серьезным препятствием является то, что фундаментальные единицы для проведения вычислений, называемые «кубитами», не могут сохранять свою когерентность в течение длительного времени. Создавая два «временных измерения», исследователи ищут решение этой проблемы.
Цель – защитить квантовую информацию эффективнее, чем в существующих квантовых системах. Результаты опубликованы в журнале Nature. Чтобы понять суть достижения, важно вспомнить, что такое кубиты: это элементарная единица информации. В обычном компьютере кубиты заменяются битами. Значение бита равно 0 или 1, и его используют для создания «кодов», необходимых для вычислений компьютера.
В квантовых компьютерах кубиты способны одновременно быть как 0, так и 1 благодаря состоянию, называемому «квантовой суперпозицией». Это свойство расширяет возможности стандартных вычислений. Повышенная плотность информации и взаимодействие между кубитами ускоряют решение сложных задач.
Поддержание этого квантового состояния также весьма затруднительно. С большей точностью кубиты состоят из атомов. Для экспериментов ученые выбрали 10 атомов иттербия. В системе каждый ион удерживается и контролируется индивидуально с помощью электрических полей, создаваемых ионной ловушкой. Манипуляции или измерения осуществляются с помощью лазерных импульсов. Такая конфигурация сравнительно типична в квантовых вычислениях.
Взаимодействие ионов с окружающей средой затрудняет ситуацию. Для проведения квантовых расчетов ионам необходимо взаимодействовать между собой. Однако взаимодействия с окружением способны нарушить их квантовое состояние. Даже при полном контроле над атомами их квантовое состояние может быть утрачено из-за взаимодействия с окружением, нагрева или непредвиденного контакта с предметами. — разъясняет Филипп Думитреску, автор исследования, в своем заявлении. В реальных экспериментах устройства склонны к ошибкам, снижающим когерентность уже после первых же лазеров. «.
Исследователи изучали возможность существования дополнительного измерения времени. По их мнению, добавление такого измерения снизит риск декогеренции атомов.
Для понимания идеи можно сравнить ее с квазикристаллами. В классическом кристалле есть регулярная и повторяющаяся структура: рисунок, похожий на ячейки пчелиного улья или квадраты шахматной доски. Квазикристаллы немного отличаются: у них упорядоченная структура, но она никогда не повторяется. Примером служит мозаика «Пенроуз», которую можно увидеть в жизни.
Подобным образом можно получать так называемые «временные кристаллы». Предполагается, что существуют закономерности, повторяющиеся во времени. Конкретно это предполагает периодическое стимулирование атомов лазерами для создания движений, которые повторяются неопределенно долгое время (например, частица движется и возвращается в одно и то же место). Этот метод, уже применяемый ранее, обеспечивает временную «симметрию», которая, как показано, усиливает когерентность кубитов. На этот раз вместо обычных лазерных импульсов ученые решили посылать «квазиритмические» импульсы. Это означает, что эти импульсы упорядочены, но не повторяются, как в случае квазикристалла.
Импульсы передавались по последовательности Фибоначчи: каждая часть является суммой двух предыдущих (A, AB, ABA, ABAAB и т.д.). Правильная схема дала бы А, В, А, В… В итоге получается упорядоченная последовательность, но не повторяющаяся. При обстреле кубитов таким образом ученые получают два «паттерна» разной длительности. На ритм лазера кубиты отвечают квазипериодическим движением, отличным от движения лазера. Именно поэтому исследователи говорят о двух одновременных «временных измерениях».
По мнению ученых, данные движения могут свести к минимуму погрешности, вызванные взаимодействием кубитов с внешней средой. Благодаря этому кубиты станут более устойчивыми. В этом подходе в качестве дополнительного рассматривается измерение времени, что меняет восприятие стадий вещества. «, — объясняет Филипп Думитреску. «Более пяти лет я разрабатывал эти теоретические идеи, и с радостью наблюдаю их воплощение в экспериментах. «.
Чтобы проверить теорию, исследователи провели испытания на массиве из 10 атомов, которые образуют кубиты. Сначала посылались лазерные импульсы через равные промежутки времени, затем с частотой, соответствующей числам Фибоначчи. Фокус был на кубитах на концах 10-атомного ряда. Результаты кажутся довольно убедительными: при периодических импульсах кубиты оставались в квантовом состоянии около 1,5 секунды. С квазипериодической моделью они поддерживали себя в течение всего эксперимента, т.е. около 5,5 секунды. Дополнительная временная симметрия давала больше защиты. «, — объясняет Филипп Думитреску.
Увеличение сопротивления достигнуто, но требуется разработать способ его применения в практических квантовых вычислениях. У нас есть интересное и перспективное применение, которое следует включить в расчеты. «, — говорит Думитреску. «Это открытая проблема, над которой мы работаем«.