科学家用斐波那契激光暴击原子来制造一种时间的“额外”维度

By Ben Turner 

2022/8/17

该技术可被用于保护量子计算机数据免受错误。

这种新相被在量子计算机内向10个镱离子发射激光弄成。(Image credit: Jurik Peter via Shutterstock)

 通过向量子计算机内的原子发射斐波那契激光脉冲，物理学家已经创造了一个全新的、奇怪的就好像它有过两个时间的维度行为一样的物质相

物质的新相被用激光有节奏的挤动一串10个镱离创造，使科学家能够以一种远更不受错误保护的方式来存储信息，从而为量子计算机开辟能长时间保持住数据不用变得被任意窜改的途径。研究人员在7月20日发表在《自然》杂志上的一篇论文中概述了他们的发现。

主要作者纽约市弗拉提顿研究所计算量子物理中心的研究员菲利普杜密特列出在一份声明中说，"一个理论上的“额外”时间维度的内容物“是一种完全不同的思考物质的相的方式，我一直工作在这些理论想法上五年多了，看到它们在实验中实际的来被实现是令人兴奋的”。

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物理学家们并没有着手来创建一个有理论的额外时间维度的相，他们也没有正在寻找一种能够更好的量子数据存储的方法。相反，他们感兴趣于创造一种新的物质相------一种其中物质能存在的新形式，超越标准的固体、液体、气体、等离子体。

他们开始在量子计算机公司Quantinuum的H1量子处理器中建立新相，该处理器由真空室中的被一种叫离子阱装置中的激光精密控制的10个镱离子组成，。

 普通计算机使用位或0和1来形成所有计算的基础。量子计算机被设计来用量子比特，量子比特也能以0或1的状态存在。但这正是关于相似性结束的地方。由于量子世界的奇特定律，量子比特能存在于一种既是0又是1状态的组合或超位态中，直到它们被测量的那一刻，靠哪个它们随机坍塌成要么0要么1。

这种奇怪的行为是量子计算能力的关键，因为它允许量子比特通过量子纠缠连接在一起，一个阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）标榜为“在距离上的幽灵行动” 的过程。纠缠将两个或多个量子比特彼此耦合，将它被广袤的距离分隔开。这赋予量子计算机能够同时的执行多个计算的能力，比经典设备指数级增长它们的处理能力。

但量子计算机的发展被一个大缺陷拉回来：量子比特不仅相互作用并彼此纠缠，因为它们不能被从量子计算机外部的环境完美的隔离，它们还与外部环境相互作用，从而造成它们在一个叫退相干的过程中丧失量子属特和它们携带的信息。

杜米特雷斯库说，“即便你将所有原子都保持在严格控制下，它们能通过与它们的环境交谈丧失它们的“量子性”加起热或以你没有计划的方式与事物相互作用”。

为了绕过这些讨厌的退相干效应并创造一个新的稳定相，物理学家们看了一组叫拓扑相的特殊相。量子纠缠不仅使量子器件能够跨量子比特的奇异静态位置编码信息，而且还将它们编织成整个物质的动态运动和相互作用------以物质纠缠状态的非常形状或拓扑。这创建一个“拓扑”量子比特，该量子比特以被多个部分形成的形状而不是单个部分的形式编码信息，使这种相远更少丢失它的信息。

从一个相移动到另一个相的一个关键标志是物理对称性的打破------物理定律在空间或时间的任何点对物体都是相同的想法。作为液体，水中的分子在水中的每个点和每个方向都遵循相同的物理定律。但是，如果你把水冷却的足够冷以便它变换成冰，它的分子会沿着一个晶体结构或晶格选择规则点来排列它们自己跨过。突然之间，水分子已经更喜欢空间中的点来占据，它们留下其他点空着，水的空间对称性已经被自发打破。

在一台量子计算机内部创建新的拓扑相也依赖于对称性破坏，但用这个新相，对称性没有跨空间被打破，而是在时间上被打破。

通过用激光给链中的每个离子一个周期性的挤动，物理学家们要打破静止时离子的连续时间对称性并施加他们自己的时间对称性------其中量子比特仍然同一的跨时间中特定的间隔------ 这将在物质上创建一个有节奏的拓扑相。

但实验失败了。不是诱导一个不受退相干效应的拓扑相位，而是常规激光脉冲放大了来自系统外部的噪声，在它被打开后不到1.5秒就破坏了它。

在重新考虑实验后，研究人员意识到要创建一个更稳健的拓扑相，他们将需要将不止一个时间对称性连接到离子链中来减少系统被打乱的几率。为了做到这个，他们安顿在找到一种不会简单而有规律地重复而是显示了某种跨时间更高对称性的脉冲模式。

这导致他们到斐波那契数列，其中序列的下一个数字被同过添加前两个数字创建。然而一个简单的周期性激光脉冲可能刚好在两个激光源（A、B、A、B、A、B等）之间交替，他们的新脉冲串相反被组合之前来的两个脉冲运行。(A、AB、ABA、 ABAAB、ABAABABA等.).

这种斐波那契脉冲创造了一种时间对称性，就像空间中的准晶体一样，从来不用重复被排序。就像一个准晶体一样，斐波那契脉冲也会将一个更高维的图案挤压到一个更低维的表面上。在一个空间准晶体如彭罗斯铺瓦的情况下，一个五维晶格的片被投影到一个二维表面上。当观察斐波那契脉冲模式时，我们看到两个理论时间对称性被扁平化成一个单一的物理对称性。

彭罗斯铺瓦的一个例子(Image credit: Shutterstock)

研究人员在声明中写道，“该系统基本上从一个不存在的额外时间维度获得一个红利对称性，这个系统出现为一种存在于有两个时间的维度的更高维度中------即使这在现实中在物理上是不可能的”。

 当团队测试它时，新的准周期斐波那契脉冲创建了一个保护这个系统在整个测试的5.5秒内免受数据丢失的拓扑相。真的，他们已经创造了一个比其他的远更长不受退相干的相。

杜密特列出说，“用这种准周期序列，有一个复杂的抵消了生活在边缘上的所有错误的演变，正因为如此，边缘比你预期的远更长呆在量子力学上相干”。

尽管物理学家取得了他们的目标，但要使他们的相成为一个量子程序员的有用工具仍然存在一个障碍：将它与量子计算的计算方面集成，以便能与计算是输入。

杜密特列出说，“我们有这种直接的、诱人的应用，但我们需要找到一种将它挂钩到计算的方法，这是一个我们正工作在上的开放性问题”。

Originally published on Live Science.

https://www.livescience.com/fibonacci-material-with-two-dimensions-of-time