ZNANSTVENICI su u kvantnom računalu, nakon što su pulsirali svjetlosnim zrakama po njegovim qubitima (kubiti) prema obrascu inspiriranom Fibonaccijevim nizom, uočili novu fazu materije.

Mada već i sama ta činjenica zvuči zanimljivo, još je fascinantnije da se ovaj čudni hir kvantne mehanike ponaša kao da ima dvije vremenske dimenzije, umjesto jedne. Znanstvenici navode da ova osobina čini qubite otpornijima i robusnijima jer onda mogu ostati stabilnima tijekom cijelog perioda provođenja eksperimenta.

Ta se stabilnost naziva i kvantnom koherencijom te je jedan od glavnih temelja za izradu savršenog kvantnog računala, ali i stanje koje je najteže postići.

Računalo koje se temelji na kvantnim česticama

Kvantni bit ili kubit je osnovna jedinica informacije u kvantnom računarstvu. Dakle, mogli bismo reći da su kvantna računala sastavljena od kvantnih čestica, a ne od standardnog materijala od kojih su načinjena digitalna računala.

Za razliku od klasičnog bita koji obrađuje informacije u jednom od dva stanja, 1 ili 0, kubiti mogu biti u oba istovremeno; što se opisuje kao kvantna superpozicija. No, treba naglasiti da se nakon mjerenja qubit nalazi u stanju koje smo izmjerili.

Računalni kvantni fizičar Philipp Dumitrescu s Instituta Flatiron kaže da ovo istraživanje predstavlja "potpuno drugačiji način razmišljanja o fazama materije".

"Radim na ovim teorijskim idejama više od pet godina i uzbudljivo je vidjeti kako se ostvaruju u eksperimentima", rekao je Dumitrescu, a prenosi Science Alert.

"Misteriozno djelovanje na daljinu"

Matematička priroda kvantne superpozicije može biti nevjerojatno moćna s računalnog gledišta, odnosno može olakšati rješavanje mnogih problema. No pomalo tajnovita, nesigurna priroda niza kubita također ovisi o tome kako su njihova stanja međusobno povezana, odnosno u kakvoj su sprezi.

Kvantno sprezanje (kvantna sprega) je fenomen u fizici koji se pojavljuje kada parovi ili skupine čestica međudjeluju tako da se kvantno stanje pojedinačnih čestica ne može utvrditi neovisno o drugim česticama.

Moglo bi se reći da je kvantna sprega misteriozna pojava u kojoj su dvije čestice tako snažno međusobno povezane da se ponašaju kao jedan sustav; bez obzira nalaze li se u istom laboratoriju ili na dva različita kraja galaksije. Ako izmjerite svojstva jedne čestice, druga će isti tren poprimiti suprotno svojstvo.

Albert Einstein je ovaj fenomen opisao kao "misteriozno djelovanje na daljinu", a znanstvenici već godinama pokušavaju iskoristiti to zanimljivo svojstvo materije.

Problem s kubitima

No, frustrirajuće je to što kubiti mogu doći u spregu s gotovo svime u okruženju, što dovodi do pogrešaka. Što je stanje kubita delikatnije, odnosno što je više kaosa u njegovom okolišu, to je veći rizik od gubitka koherencije.

"Čak i ako sve atome držite pod strogom kontrolom, oni mogu izgubiti svoje kvantno svojstvo zbog komunikacije s okruženjem. Do toga može doći zbog zagrijavanja ili interakcije sa stvarima na načine koje niste planirali", objasnio je Dumitrescu.

"U praksi, eksperimentalni uređaji imaju mnogo izvora pogreške koji mogu degradirati koherenciju nakon samo nekoliko laserskih impulsa", dodao je.

Provođenje simetrije može biti jedan od načina da se kubite zaštiti od dekoherencije. Primjerice, ako rotiramo običan kvadrat za devedeset stupnjeva, on će još uvijek ostati istog oblika. Ta ga simetrija štiti od određenih učinaka rotacije.

Ako kubite ciljamo ravnomjerno raspoređenim laserskim impulsima, možemo osigurati simetriju koja se ne temelji na prostoru, već na vremenu. Dumitrescu i njegovi kolege željeli su vidjeti mogu li pojačati ovaj učinak dodavanjem, ne simetrične, već asimetrične kvaziperiodičnosti.

To bi, teoretski, značilo postojanje ne jedne vremenske simetrije, već dvije.

"Dodatna vremenska simetrija štiti od dekoherencije"

Fizičari su proveli eksperiment na vrhunskom komercijalnom kvantnom računalu koje je dizajnirala tvrtka Quantinuum. Ovo računalo za kubite koristi 10 atoma iterbija. Ti se atomi drže u električnoj ionskoj zamci, tako da se mogu mjeriti ili kontrolirati putem laserskih impulsa.

Dumitrescu i kolege stvorili su niz takvih impulsa koji se temelji na Fibonaccijevom nizu brojeva, gdje je svaki segment zbroj dva prethodna segmenta. To rezultira slijedom koji je uređen, ali se ne ponavlja. Ovakvi laserski impulsi mogu se opisati kao jednodimenzionalni prikaz dvodimenzionalnog uzorka. Teoretski, to znači da bi potencijalno mogli nametnuti dvije vremenske simetrije na kubite.

Tim je testirao svoju hipotezu bljeskajući laserima na niz kubita, prvo u simetričnom nizu, zatim kvaziperiodično. Nakon toga su izmjerili koherenciju dva kubita. Tijekom periodične sekvence kubiti su bili stabilni 1.5 sekundi, a za kvaziperiodične čitavih 5.5 sekundi - koliko je i trajao eksperiment.

Dodatna vremenska simetrija, smatraju znanstvenici, dodala je još jedan sloj zaštite od kvantne dekoherencije.

Istraživanje naziva Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulator objavljeno je u časopisu Nature.