Фізики перетворили квантовий комп’ютер на кристал часу

Вперше фізики перетворили квантовий процесор у стан матерії, який, здається, кидає виклик фізиці, прорив, який може стати кроком до того, щоб зробити квантові обчислення більш практичними. Квантові комп’ютери обіцяють розширити типи алгоритмів, які можна запускати швидко та практично, потенційно прискоривши дослідження в багатьох галузях, від фізики елементарних частинок до фармакології та метеорології.

Було досягнуто величезного прогресу в розробці основ технології, але в міру того, як технологія розширюється, помилки стають основною перешкодою. Експериментально змусивши квантовий комп’ютер поводитись як надійна форма кристала часу, команда фізиків із Китаю та США сподівається зробити технологію менш схильною до помилок у міру її масштабування.

Кристали часу — це групи частинок, які відображають повторювані візерунки. Там, де візерунки, з яких складаються такі звичайні кристали, як алмаз і кварц, відлунюють у тривимірному просторі, кристали часу періодично рухаються, як маятник, тікаючи в часі.

Що робить їх унікальними, так це їх здатність робити це за відсутності або на відміну від «штовху» за кермом. Кристали часу коливаються у своєму найнижчому енергетичному стані відповідно до власного ритму, як дитина, що штовхається на гойдалках, незважаючи на повторювані поштовхи батьків.

Ідея кристалів часу, запропонована відомим фізиком Френком Вільчеком у 2012 році, спочатку викликала чималу частку сумнівів. З того часу було експериментально продемонстровано низку систем із поведінкою, подібною до кристала часу, що дало інженерам перевірений новий інструмент для вимірювання та формування світу та потенційне вирішення проблеми точності у квантових обчисленнях.

Там, де типові обчислення обмежуються логікою, побудованою з використанням двійкових цифр, представлених одиницями та нулями, «кубіти» квантових обчислень краще підходять для унікальних типів обчислень, дозволяючи розв’язувати складні алгоритми за один крок. Кубіт — це розмитість можливостей, схожа на чистий картковий стіл перед тим, як дилер покаже червону або чорну масть. Подібно до того, як лічильник карток може використовувати шанси на свою користь, квантові обчислення використовують вбудований потенціал кубіта для проведення обчислень. Поєднання кубітів шляхом переплітання їхніх доль створює більшу колоду, налаштовуючи шанси ще кориснішими способами.

На жаль, кубіти можуть зв’язуватися майже з будь-чим у своєму оточенні, випадково перемішуючи нові карти та викидаючи програму з гри. Розширення колоди кубітів до тисяч потрібних різко збільшує ймовірність появи небажаного шуму. Раніше кристали часу пропонувалися як засоби зменшення квантових помилок, хоча вийти за межі теорії в практичне застосування виявилося складним завданням.

Один тип кристала часу, описаний як «топологічний», має перевагу над іншими. У той час як ізольовані коливання можуть демонструвати характеристики кристала часу в певній зоні частинок, що повторюються в просторі, топологічний кристал часу відображає коливання маятника як основну особливість більш загальної системи, і все це завдяки тому самому явищу квантової заплутаності.

Це узагальнене поширення коливальної активності менш схильне до локальних перешкод, зберігаючи ідеальний рух маятника, навіть якщо ізольовані області в системі штовхаються і виходять з вирівнювання. Успішно запрограмувавши високостабільну форму надпровідного квантового обчислення для демонстрації топологічної поведінки кристала часу, команда виявила, що можливо створити квантову систему, яка ще менш схильна до перешкод.

Після цього система могла впоратися з розумним рівнем симуляції шуму в навколишньому середовищі, залишаючись відносно стабільною. Експеримент також відобразив потенціал використання подібних надпровідних ланцюгів для дослідження царства нерівноважного руху, представленого кристалами часу. Як підтвердження концепції, неймовірне цокання кристалів часу може займати важливе місце в майбутньому технологій. Це дослідження було опубліковано в Nature Communications.