在这台量子计算机中，物理学家创造了一种前所未见的物质相，它的作用就像时间有两个维度一样。与当前方法相比，该阶段可以帮助保护量子信息免受破坏的时间要长得多。量子通过在量子计算机内的原子上照射受斐波那契数启发的激光脉冲序列，物理学家创造了一种非凡的、前所未有的物质相。物理学家 7 月 20 日在《自然》杂志上报告说，尽管仍然只有一个单一的时间流，但该阶段具有两个时间维度的好处。
这种令人费解的特性提供了一个广受欢迎的好处：存储在相位中的信息比目前在量子计算机中使用的替代设置更能防止错误。研究的主要作者 Philipp Dumitrescu 说，因此，信息可以存在而不会出现更长时间的乱码，这是使量子计算可行的一个重要里程碑。
该方法对“额外”时间维度的使用“是一种完全不同的物质相态思考方式，”作为纽约市熨斗研究所计算量子物理中心的研究员参与该项目的 Dumitrescu 说。 “五年多来，我一直在研究这些理论想法，看到它们在实验中真正实现是令人兴奋的。”
Dumitrescu 与温哥华不列颠哥伦比亚大学的 Andrew Potter、马萨诸塞大学阿默斯特分校的 Romain Vasseur 和德克萨斯大学奥斯汀分校的 Ajesh Kumar 共同领导了这项研究的理论部分。这些实验是由 Brian Neyenhuis 领导的团队在科罗拉多州布鲁姆菲尔德 Quantinuum 的一台量子计算机上进行的。
该团队的量子计算机的主力是一种叫做镱的元素的 10 个原子离子。每个离子都由离子阱产生的电场单独保持和控制，并且可以使用激光脉冲进行操作或测量。
这些原子离子中的每一个都充当科学家所称的量子比特或“量子比特”。传统计算机以比特（每个代表 0 或 1）来量化信息，而量子计算机使用的量子比特利用量子力学的奇异性来存储更多信息。就像薛定谔的猫在盒子里既死又活一样，一个量子比特可以是 0、1 或两者的混搭——或“叠加”。这种额外的信息密度和量子位相互交互的方式有望让量子计算机解决传统计算机无法解决的计算问题。
然而，有一个大问题：正如窥视薛定谔的盒子可以确定猫的命运一样，与量子比特的交互也是如此。这种互动甚至不必是刻意的。 “即使你严格控制所有原子，它们也可能通过与环境交谈、加热或以你没有计划的方式与事物相互作用而失去量子性，”杜米特雷斯库说。 “在实践中，实验设备有许多误差源，这些误差源会在几个激光脉冲后降低相干性。”
因此，挑战在于使量子比特更加稳健。要做到这一点，物理学家可以使用“对称性”，本质上是可以改变的属性。 （例如，雪花具有旋转对称性，因为它在旋转 60 度时看起来相同。）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 Dumitrescu 和他的合作者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次对称，而是通过使用有序但不重复的激光脉冲来增加两个。
理解他们的方法的最好方法是考虑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。准晶体仍然有秩序，但它的模式永远不会重复。 （彭罗斯平铺就是一个例子。）更令人难以置信的是，准晶体是从更高维度投射或压扁到更低维度的晶体。这些更高的维度甚至可以超出物理空间的三个维度：例如，2D Penrose 平铺是 5D 晶格的投影切片。
彭罗斯平铺图案是一种准晶体，这意味着它具有有序但不重复的结构。该图案由两种形状组成，是 5D 方格的 2D 投影。对于量子比特，Dumitrescu、Vasseur 和 Potter在 2018 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），研究人员创建了基于斐波那契数列的准周期性激光脉冲方案。在这样的序列中，序列的每一部分都是前两个部分（A、AB、ABA、ABAAB、ABAABABA 等）的总和。这样的排列，就像一个准晶体一样，是有序的，不重复。而且，类似于准晶体，它是一种被压缩成单一维度的二维图案。这种维度扁平化理论上会导致两个时间对称性，而不仅仅是一个：系统本质上从不存在的额外时间维度中获得了额外的对称性。
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好处是否会在现实世界的量子比特中持续存在尚未得到证实。
使用 Quantinuum 的量子计算机，经验主义者对该理论进行了测试。他们周期性地在计算机的量子比特上脉冲激光，并使用基于斐波那契数的序列。重点是 10 原子阵容两端的量子比特。这就是研究人员期望看到物质的新阶段同时经历两个时间对称性的地方。在周期性测试中，边缘量子位保持量子状态大约 1.5 秒——考虑到量子位之间的相互作用很强，这已经是一个令人印象深刻的长度。在准周期模式下，量子比特在整个实验期间保持量子状态，大约 5.5 秒。这是因为额外的时间对称性提供了更多的保护，杜米特雷斯库说。
“有了这个准周期序列，就会有一个复杂的演化过程，它消除了边缘上的所有错误，”他说。 “正因为如此，边缘在量子力学上保持一致的时间比你预期的要长得多。”
尽管研究结果表明物质的新相可以作为长期的量子信息存储，但研究人员仍然需要将该相与量子计算的计算方面进行功能整合。 “我们有这个直接的、诱人的应用程序，但我们需要找到一种方法将其连接到计算中，”杜米特雷斯库说。 “这是我们正在解决的一个悬而未决的问题。”
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