Maddenin Bu Garip Yeni Aşaması, 2 Zaman Boyutunu Kaplıyor Gibi Görünüyor

Fizikçiler, Fibonacci dizisinden esinlenen bir modelde kübitlere ışık verdikten sonra, bir kuantum bilgisayarında maddenin yeni bir aşaması gözlemlendi.

Kuantum mekaniğinin bu tuhaflığı sanki 1 değil 2 zaman boyutuna sahipmiş gibi davranıyor; bilim insanlarının belirttiği bu özellik, kübitleri daha sağlam kılıyor ve deney boyunca sabit kalabiliyor.

Bu kararlılığa kuantum tutarlılık denir ve hatasız bir kuantum bilgisayarın ana hedeflerinden biridir ve elde edilmesi en zor olanlardan biridir.

Fenomeni açıklayan yeni bir makalenin başyazarı Flatiron Enstitüsü'nden hesaplamalı kuantum fizikçisi Philipp Dumitrescu'ya göre, çalışma "maddenin evreleri hakkında tamamen farklı bir düşünme biçimini" temsil ediyor. "Beş yılı aşkın bir süredir bu teori fikirleri üzerinde çalışıyorum ve bunların deneylerde gerçekten gerçekleştiğini görmek heyecan verici."

Kuantum hesaplama, bilgi işlem bitlerinin kuantum eşdeğeri olan kübitlere dayanır. Bununla birlikte, bitlerin bilgiyi iki durumdan birinde, 1 veya 0'da işlediği durumlarda, kübitlerin her ikisi de aynı anda olabilir, bu durum kuantum süperpozisyonu olarak bilinir.

Bu süperpozisyonun matematiksel doğası, hesaplama açısından inanılmaz derecede güçlü olabilir ve doğru koşullar altında çok kısa sürelerde problemleri çözme işi yapabilir.

Ancak bir dizi kübitin bulanık, kararsız doğası, aynı zamanda kararsız durumlarının birbirleriyle nasıl ilişkili olduğuna da bağlıdır.

Sinir bozucu bir şekilde, kübitler ortamındaki hemen hemen her şeyle karışabilir ve hatalara neden olabilir. Bir kübitin bulanık durumu ne kadar hassassa (veya çevresinde ne kadar kaos varsa), bu tutarlılığı kaybetme riski o kadar fazladır.

Dumitrescu, "Bütün atomları sıkı kontrol altında tutsanız bile, çevreleriyle iletişim kurarak, ısınarak veya planlamadığınız şekillerde etkileşime girerek kuantumluklarını kaybedebilirler. Pratikte, deneysel cihazlar, sadece birkaç lazer darbesinden sonra tutarlılığı bozabilecek birçok hata kaynağına sahiptir."

Bir simetriyi zorlamak, kübitleri uyumsuzluktan korumanın bir yolu olabilir. Düz eski bir kareyi doksan derece döndürün ve hala aynı şekildedir. Bu simetri, onu belirli dönme etkilerinden korur.

Kübitlere eşit aralıklı lazer darbeleriyle dokunmak, uzaya değil zamana dayalı bir simetri olmasını sağlar. Dumitrescu ve meslektaşları, simetrik periyodiklik değil, asimetrik yarı periyodiklik ekleyerek bu etkiyi çevirebilecekler mi bilmek istediler.

Teoriye göre bu, bir zamanlı simetri değil, iki simetri eklerdi; biri etkili bir şekilde diğerinin içine gömülürdü.

Fikir, uzaydan ziyade zaman içinde yarı kristal denilen bir şeyin yaratılmasını öneren ekibin daha önceki çalışmalarına dayanıyordu. Bir kristal, bir bal peteği gibi uzayda tekrar eden simetrik bir atom kafesinden yapıldığında, bir yarı kristal üzerindeki atomların modeli, bir Penrose döşemesi gibi tekrarlanmaz, ancak yine de düzenlidir.

Ekip, deneylerini bir kuantum bilgisayar şirketi olan Quantinuum tarafından tasarlanan son teknoloji bir ticari kuantum bilgisayar üzerinde gerçekleştirdi. Bu canavar, kübitleri için 10 atom iterbiyum (atomik saatler için tercih edilen elementlerden biri) kullanır. Bu atomlar, onları kontrol etmek veya ölçmek için lazer darbelerinin kullanılabileceği bir elektrik iyon tuzağında tutulur.

Dumitrescu ve meslektaşları, her bölümün önceki iki bölümün toplamı olduğu Fibonacci sayılarına dayalı bir dizi lazer darbesi oluşturdu. Bu, tıpkı bir yarı kristal gibi, düzenli, ancak tekrar etmeyen bir diziydi.

Yarı kristaller, matematiksel olarak yüksek boyutlu kafeslerin düşük boyutlu parçaları olarak tanımlanabilir. Bir Penrose döşemesi, beş boyutlu bir hiperküpün iki boyutlu bir dilimi olarak tanımlanabilir.

Aynı şekilde, ekibin lazer darbeleri, iki boyutlu bir desenin tek boyutlu bir temsili olarak tanımlanabilir. Teorik olarak bu, potansiyel olarak kübitlere iki zaman simetrisi getirebileceği anlamına geliyordu.

Ekip, çalışmalarını önce simetrik bir sırayla, sonra yarı-periyodik olarak iterbiyum kübit dizisindeki lazerleri yakıp söndürerek test etti. Daha sonra tuzağın her iki ucundaki iki kübitin tutarlılığını ölçtüler.

Periyodik dizi için, kübitler 1.5 saniye boyunca stabildi. Yarı periyodik dizi için, deney süresi olan 5.5 saniye boyunca sabit kaldılar.

Araştırmacılar, ek zaman simetrisinin, kuantum uyumsuzluğa karşı başka bir koruma katmanı eklediğini söyledi.

Araştırmacılar, çalışmanın işlevsel kuantum bilgisayarlara entegrasyona hazır olmaya yakın olmadığını, ancak bu amaca yönelik önemli bir adımı temsil ettiğini söyledi.

Araştırma Nature'da yayınlandı.