Kvantový počítač. Kredit: Quantinuum.

Představte si, že vezmete kvantový počítač a na qubity nevinně blikáte laserem v sekvenci, která je odvozená od slavné Fibonacciho posloupnosti. Co by se mohlo stát? Přesně tohle udělal se svými kolegy kvantový fyzik Philipp Dumitrescu z amerického institutu počítačových věd Flatiron Institute a pak jen zírali. Ukázalo se, že tento postup vede k vytvoření doposud nepozorované a divné fáze hmoty, která se chová, jako by měla nikoliv jednu, ale dvě časové dimenze.

Philipp Dumitrescu. Kredit: Simons Foundation.

Stroj času z toho (nejspíš) nebude, ale podle badatelů tato nová fáze hmoty přispívá k zesílení stability qubitů. Což je přesně to, co potřebujeme pro provoz kvantových počítačů. Tyhle zázračné mašiny těží z kvantové povahy qubitů, která je ale zároveň jejich slabinou. Qubity mají sklon ztrácet koherenci a tím vznikají chyby při kvantových výpočtech. Jak říká Dumitrescu, i když hlídáte qubity jako ostříž, mohou ztrácet svou kvantovou povahu interakcemi s okolím nebo třeba jen zahříváním.

Jednou z možností, jak zajistit větší odolnost qubitů, je podpora symetrie. Dumitrescu a spol. ovšem nevyužili symetrii prostorovou, nýbrž časovou. Vycházeli přitom ze svého předchozího výzkumu, v němž navrhovali vytvoření časového kvazikrystalu, uspořádaného, ale nikoliv periodického.

Příklad Penroseova dláždění. Kredit: Inductiveload / Wikimedia Commons., volné dílo.

V novém výzkumu využili komerční kvantový počítač společnosti Quantinuum. Ten má jako qubity 10 atomů ytterbia, uzavřených v elektrické iontové pasti, s nimiž lze pracovat pomocí laserových paprsků. Badatelé vytvořili kvaziperiodickou sekvenci laserových pulzů, která je založena na Fibonacciho posloupnosti. Tato sekvence je uspořádaná, ale neobsahuje opakující se prvky. Podobně jako navrhované časové kvazikrystaly.

Kvazikrystaly lze matematicky popsat jako méněrozměrné segmenty vícerozměrných struktur. Například proslulé Penroseovo dláždění vlastně představuje dvojrozměrný řez pětirozměrné hyperkrychle. Podobně je možné považovat sekvenci laserových pulzů v tomto výzkumu za jednorozměrné vyjádření dvojrozměrného uspořádání. Díky tomu lze blikáním laseru vložit do qubitu dvě časové symetrie.

Zní to velmi matematicky. V tomto případě je ale výhodou, že abstraktní výpočty lze ověřit jednoduchým experimentem. Vědci prostě blikali na qubity svou kvaziperiodickou a pak normálně periodickou sekvencí laserových pulzů a následně měřili koherenci 2 krajních qubitů v iontové pasti zmíněného kvantového počítače.

Dopadlo to vcelku jednoznačně. Po ozáření periodickými pulzy vydržela koherence qubitů 1,5 sekund. Po kvaziperiodické sekvenci pulzů se koherence qubitů udržela 5,5 sekund, což byla kompletní délka experimentu. Vše nasvědčuje tomu, že přidání další časové symetrie dramaticky zvyšuje odolnost qubitů vůči ztrátě koherence.

Video: Philipp Dumitrescu - Dynamic phases in quasiperiodically driven quantum many-body systems

Literatura

MIKE WHEATLEY: „Quantum computing service provider Quantinuum boosts its hardware to 20 qubits“ Siliconangle.