利用离子阱量子计算机新型物质相可使信息存 [复制链接]

近日，研究人员通过向量子计算机内部的原子上照射受斐波那契数启发的激光脉冲序列，创造出了一种前所未见的物质相。

尽管只存在一个单一的时间流，但这种相却具有两个时间维度的优势。与目前用于量子计算机的其他设置相比，存储在这种相中的信息对错误的抵御能力要强得多，信息可以存在更久，且不被扰乱，是量子计算可行性研究的一大里程碑。

目前相关研究成果已发表在《自然》杂志上。

在离子阱量子计算机上进行实验

美国纽约熨斗研究所计算量子物理中心研究员Dumitrescu（该研究的主要作者）与温哥华不列颠哥伦比亚大学的AndrewPotter、马萨诸塞大学阿默斯特分校的RomainVasseur和德克萨斯大学奥斯汀分校的AjeshKumar共同领导了该研究的理论部分。

实验是在Quantinuum的离子阱量子计算机上进行的。团队使用的离子阱量子计算机主要包括了10个镱离子，每个离子都被一个离子阱产生的电场单独控制，并可以用激光脉冲进行操纵或测量。

Quantinuum是剑桥量子公司与霍尼韦尔的量子解决方案部门合并成立的离子阱量子计算公司。今年6月，Quantinuum对其离子阱量子计算机SystemModelH1进行重大技术升级，完全互联的量子比特从12个提升至20个，并增加了可并行完成的量子运行数量。

本次研究中的离子即量子比特，量子叠加态特性（一个量子比特可以是0、1或两者的“叠加”）让量子计算机具有天然的并行计算能力。但在实践中还存在一个大问题，就像偷看薛定谔的盒子会决定猫的命运一样，与量子比特的相互作用同样如此。即使严格控制所有的原子，它们也会因为与环境相互作用，升温或以某种你意想不到的方式与事物发生相互作用而失去量子性。实际上，实验设备有许多误差源，在短短几个激光脉冲之后就会降低相干性。

因此，研究人员面临的最大挑战之一就是让量子比特变得更“稳固”。

两种时间对称性

要做到更“稳固”，物理学家可以利用“对称性”，可以理解为一种能够包容变化的特性，例如雪花具有旋转对称性，因为它在旋转60度后看上去和原来没什么区别。

一种方法是通过用有节奏的激光脉冲轰击原子来增加时间对称性，这种方法有帮助，但研究人员想知道他们是否可以走得更远。因此，他们的目标不仅仅是一种时间对称性，而是通过使用有序但不重复的激光脉冲来增加两种时间对称性，这种方法使用了一个“额外”的时间维度，这是一种完全不同的思考物质相的方式。

理解他们方法的最佳方式是参照其他有序但不重复的东西——“准晶体”。典型的晶体具有规则的重复结构，就像蜂窝中的六边形。准晶体仍然有序，但它的模式不会重复，彭罗斯铺砌就是其中的一个例子。

更神奇的是，准晶体是从更高维度投影或压缩到更低维度的晶体，这些更高的维度甚至可以超越物理空间的三维，如一个二维的彭罗斯铺砌，就是一个五维晶格的投射切片。

对于量子比特，Dumitrescu、Vasseur和Potter在年提议在时间而非空间中创建准晶体。鉴于周期性激光脉冲会交替（A、B、A、B、A、B等），研究人员在斐波那契序列的基础上提出了一个准周期性的激光脉冲方案。

在这样的序列中，序列的每一部分都是前两个部分的总和（A、AB、ABA、ABAAB、ABAABABA等）。这种排列就像准晶一样，有序但不重复，并且与准晶类似，它也是一种被压缩到单一维度的二维模式。这种维度的扁平化在理论上导致了两种时间对称性，而不是只有一种。这个系统实际上从一个不存在的额外时间维度中获得了一种额外的对称性。

然而，实际的量子计算机是极其复杂的实验系统，因此该理论所承诺的优势是否会在现实世界的量子比特中持续存在尚未得到证实。

因此，研究人员使用Quantinuum的离子阱量子计算机对这一理论进行了测试。他们周期性地向计算机的量子比特发射脉冲激光，并使用基于斐波那契数列的序列。重点是位于10个原子排列两端的量子比特，他们期望在那里看到新的物质相同时经历两种时间对称性。

在周期性测试中，边缘量子比特保持量子态约1.5秒——考虑到量子比特之间的强烈相互作用，这已经是一个惊人的时长。在准周期模式下，量子比特在整个实验过程中(约5.5秒)保持量子态，这是因为额外的时间对称性提供了更多的保护。

有了这个准周期序列，就会有一个复杂的演化过程，它可以消除所有边缘的错误，正因为如此，边缘在量子力学上保持一致的时间比预期的要长得多。

尽管研究结果表明新的物质相可以作为长期的量子信息存储，但研究人员仍需要将该相与量子计算的计算方面进行功能整合。但有了这种直接的、诱人的应用程序，仍需要找到一种方法将其与计算挂钩，这是研发团队正在研究的一个悬而未决的问题。