通过向量子计算机内的原子发射斐波那契激光脉冲,物理学家创造了一种全新的、奇异的物质相。物质的新相通过使用激光有节奏地抖动一股10个镱离子而创建,使科学家能够以一种更为精确的方式存储信息,从而为量子计算机打开了道路,量子计算机可以长时间保持数据而不会出现混乱。
物理学家们并没有打算创造一个具有理论上额外时间维度的相位,也没有寻找一种方法来实现更好的量子数据存储。相反,他们感兴趣的是创造一种新的物质相,一种物质可以存在的新形式,超越了标准的固体、液体、气体(在新标签中打开)、等离子体。
大家需要注意,这篇文章说的这个实验已经成功了,这个量子处理器由10个镱离子组成,这些离子在一个称为离子阱的装置中由激光器精确控制。普通计算机使用位或0和1作为所有计算的基础,量子计算机被设计成使用量子比特,量子比特也可以存在于0或1的状态。多亏了量子世界的奇异定律,量子位可以以0和1态的组合或叠加形式存在,直到它们被测量的那一刻,在这一刻,它们才会随机崩溃为0或1。
这种奇怪的行为是量子计算能力的关键,因为它允许量子比特通过量子纠缠连接在一起,纠缠将两个或多个量子比特相互耦合,连接它们的属性,从而一个粒子的任何变化都会导致另一个粒子发生变化,即使它们相隔很远。这使量子计算机能够同时执行多个计算,与经典设备相比,其处理能力呈指数级增长。
但量子计算机的发展受到了很大的阻碍:量子比特不仅相互作用,而且相互纠缠,因为它们不能与量子计算机外部的环境完全隔离,它们也会与外部环境相互作用,从而导致它们在一个称为去相干的过程中失去量子属性和所携带的信息。
科学家们说:“即使你严格控制所有原子(在新标签中打开),它们也会因与环境效应、升温或以意想不到的方式互动而失去量子信息。”为了克服这些去相干效应,创造一个新的稳定相位,美国物理学家们研究了一组称为拓扑相位的特殊相位。
量子纠缠不仅使量子设备能够在量子比特的奇异静态位置上编码信息,还可以将它们编织成整个材料的动态运动和相互作用,也就是以材料纠缠态的形状或拓扑结构。这就产生了一个新的拓扑量子位,它将信息编码成由多个部分而不是一个部分单独形成的形状,使得相位丢失信息的可能性大大降低。
从一个阶段移动到另一个阶段的一个关键标志是物理对称性的打破,即物体在任何时间或空间点的物理定律都是相同的。在量子计算机中创建一个新的拓扑相位也依赖于此,但在这个新的相位中,对称性不是在空间上被破坏,而是在时间上被破坏。通过用激光对链中的每一个离子进行周期性的震动,物理学家们希望打破静止离子的连续时间对称性,并强加它们自己的时间对称性,也就是量子比特在一定时间间隔内保持不变,这将在材料上产生有节奏的拓扑相位。
但实验失败了。规则的激光脉冲并没有诱导一个对去相干效应免疫的拓扑相位,而是放大了系统外部的噪声,在开启后不到1.5秒就失去了量子信息。
在重新考虑该实验后,美国物理学家们意识到,为了创建一个更稳健的拓扑相位,他们需要将多个时间对称性连接到离子链中,以降低系统被扰乱的几率。为了做到这一点,他们决定寻找一种脉冲模式,这种模式不会简单而有规律地重复,但在时间上显示出某种更高的对称性。
物理学家们想到了斐波那契序列,其中通过将前两个相加来创建序列的下一个编号。虽然简单的周期性激光脉冲可能只是在两个激光源(a、B、a、B,a、B等)之间交替,但它们的新脉冲序列通过组合之前的两个脉冲(a、AB、ABA、ABAB、ABABABA等)来运行。
这种斐波那契脉冲产生了一种时间对称性,就像空间中的准晶一样,是有序的,从不重复。就像准晶一样,斐波那契脉冲也会将高维图案挤压到低维表面上。在空间准晶(比如Penrosetiling)的情况下,五维晶格的切片会投影到二维表面上。当观察斐波那契脉冲模式时,我们看到两个理论上的时间对称变为一个物理对称。
科学家们在声明中写道:“该系统本质上从一个不存在的额外时间维度中获得了额外的对称性。该系统看起来是一种存在于更高维度的物质,具有两个时间维度,即使这在现实理论物理预测中是不可能的。”