Komputery kwantowe dysponują gigantycznymi mocami obliczeniowymi, znacznie przewyższającymi możliwości tradycyjnych komputerów. Zawdzięczają to kwantowym elementom obliczeniowym, czyli kubitom. W tradycyjnym komputerze obliczenia wykonywane są na seriach bitów – zerach i jedynkach. Kubity mogą przybierać obie te wartości jednocześnie (to tzw. superpozycja), przyspieszając obliczenia.
Problem polega na tym, że kwantowe komputery są podatne na błędy. Wystarczą zakłócenia typu nieznaczna zmiana temperatury otoczenia, by nie dało się przeprowadzić rachunków do końca. To efekt tego, że kwantowe procesy ulegają łatwo zjawisku dekoherencji. Polega ono na utracie stanu kwantowego przez kubit, co niweczy przeprowadzane obliczenia.
Naukowcy od dawna zastanawiają się, jak temu zapobiec. W najnowszym numerze prestiżowego czasopisma naukowego „Nature” ukazała się właśnie praca, która opisuje nowatorskie podejście do problemu. Naukowcy opisali w niej, jak udało im się utrzymać stan kwantowy kubitów, bombardując je specjalnie dobraną sekwencją laserowych impulsów. Doprowadziło to do powstania szczególnej fazy materii o niespotykanych wcześniej właściwościach.
Jaki komputer kwantowy wykorzystano w badaniu?
– Pracowałem nad ta teorią pięć lat – opowiada na portalu phys.org Philipp Dumitrescu, główny autor pracy z Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics w Nowym Jorku. – To było ekscytujące, kiedy wreszcie mogłem sprawdzić ją eksperymentalnie – dodaje.
Badacz wraz z zespołem pracowali na komputerze kwantowym firmy Quantinuum. Jako kubity wykorzystuje on 10 jonów iterbu – pierwiastka używanego w zegarach atomowych. Każdy z nich jest utrzymywany w polu elektrycznym i można na niego oddziaływać z pomocą impulsów laserowych.
To oczywiście może prowadzić do dekoherencji kubitów. – Nawet jeśli ściśle kontrolujesz każdy z atomów, może on utracić swój stan kwantowy, nagrzewając się albo wchodząc w interakcję z otoczeniem w innym sposób niż planowałeś – opowiada Dumitrescu. – W praktyce eksperymentalne urządzenia mogą ulec dekoherencji już po kilku impulsach laserowych.
Jak symetria pomaga utrzymać kubity?
Jak temu zapobiec? Naukowcy próbują wykorzystać zjawisko symetrii, czyli pewnej powtarzającej się właściwości obiektu. Np. kwadrat ma symetrię obrotową – po przekręceniu go o 90 stopi wygląda dokładnie tak samo, jak na początku.
W przypadku kubitów próbowano bombardować je regularnymi impulsami laserowymi (co dawało symetrię w czasie). To pomogło, jednak Dumitrescu i jego zespół poszli o krok dalej. Postanowili dodać do układu jeszcze jedną symetrię, używając impulsów, które były uporządkowane, choć nie powtarzały się w czasie.
Jak to możliwe? Naukowcy wykorzystali tzw. liczby Fibonacciego. Ciąg Fibonnacciego zaczyna się od 0 i 1, a każdy następny jego wyraz jest sumą dwóch poprzednich. Wygląda więc następująco: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89...
Na tej samej zasadzie badacze ułożyli sekwencję impulsów laserowych. Zamiast użyć prostego układu A, B, A, B...., ułożyli je następująco: A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA... Taka sekwencja jest uporządkowana, lecz się nie powtarza. Cały układ zaś korzysta z dwóch czasowych wymiarów symetrii zamiast jednego.
Odpowiednikiem matematycznym jest tutaj tzw. parkietaż Penrose'a – dwuwymiarowy wzór, który wygląda jak mozaika z kafelków. Na pierwszy rzut oka wydaje się regularny, jednak po przesunięciu nie powtarza się. Uznaje się go więc za quasi-periodyczny. Co ciekawe, parkietaż Penrose’a powstaje po hipotetycznym „wycięciu” płaszczyzny ze struktury pięciowymiarowej.
Jak ciąg Fibonacciego chronił stan kwantowy kubitów?
Naukowcy przeprowadzili następnie test z komputerem Quantinuum. Najpierw bombardowali jego kubity impulsami powtarzającymi się regularnie. Kubity utrzymały się przez 1,5 sekundy, co jest bardzo dobrym wynikiem. Jednak gdy badacze wykorzystali sekwencję opartą na ciągu Fibonacciego, kubity uległy dekoherencji dopiero po 5,5 sekundy. Zdaniem Dumitrescu to dlatego, że układ był „chroniony” przez wprowadzenie do niego dodatkowego wymiaru czasowego.
Powstała nowa faza materii może więc posłużyć jako długoterminowa (w skali kwantowej) pamięć kwantowa. Jednak do jej wykorzystania w prawdziwych komputerach kwantowych jest jeszcze daleka droga. – Musimy znaleźć sposób, by wprowadzić ją do kwantowych obliczeń – mówi Dumitrescu. – Nad tym teraz pracujemy.
