Eine neue Phase der Materie öffnet ein Portal zur zweiten Dimension der Zeit / Sudo Null IT News

Physiker haben ein Fehlerkorrekturverfahren entwickelt, das die Leistung von Quantencomputern deutlich verbessern kann. Ein Artikel, der die Experimente beschreibt, wurde in veröffentlicht Natur 20. Juli. Einzelheiten zum Einstieg Flaggschiff-Kurs in Data Science.

Als die alten Inkas Steuer- und Volkszählungsaufzeichnungen archivierten, verwendeten sie quipu – ein Gerät aus einer Reihe von Seilen, die Daten mit Knoten verschlüsselten. Jetzt ein paar hundert Jahre vorspulen: Die Physiker von heute sind auf dem Weg dorthin Entwicklung eines modernen, viel ausgefeilteren Äquivalents.

Die moderne „Kipu“ ist eine neue Phase der Materie, die mit einem Quantencomputer erstellt wurde: Ihre Seile sind Atome und ihre Knoten sind eine Folge von Laserimpulsen. Diese Sequenzen eröffnen die zweite Dimension der Zeit.

Das zu verstehen ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint. Die neue Phase der Materie ist ein Vertreter einer Familie topologischer Phasen, die in den 1980er Jahren entdeckt wurden. Materialien in einer topologischen Phase zeigen Ordnung nicht durch die Anordnung von Bestandteilen, wie etwa den regelmäßigen Abstand zwischen Atomen in einem Kristall, sondern durch dynamische Bewegungen und Wechselwirkungen.

Das Erstellen einer neuen topologischen Phase – das heißt, einer neuen „Phase der Materie“ – ist nicht schwieriger, als neue Kombinationen von elektromagnetischen Feldern und Laserpulsen anzuwenden, um Materie zu rationalisieren, die „Symmetrie“ von Bewegungen und Zuständen der Materieatome zu organisieren. Solche Symmetrien können nicht im Raum, sondern in der Zeit existieren, beispielsweise in induzierten repetitiven Bewegungen.

Es kann schwierig sein, zeitliche Symmetrien einfach so zu sehen, aber sie können mathematisch erkannt werden: Sie müssen sich das Material als eine niedrigdimensionale Projektion eines hypothetischen mehrdimensionalen Raums vorstellen: Ein zweidimensionales Hologramm ist also eine niedrigdimensionale Projektion von ein dreidimensionales Objekt. Was die neue Phase betrifft, die sich in der Verflechtung von Ionen manifestiert, kann ihre Symmetrie erkannt werden, wenn wir die Materie in einer mehrdimensionalen Realität betrachten, in der die Zeit zwei Dimensionen hat.

„Es ist sehr interessant zu beobachten, wie diese ungewöhnliche Phase der Materie in einem realen Experiment verkörpert wird. Vor allem, weil die mathematische Beschreibung auf einer theoretischen „zusätzlichen“ Zeitdimension basiert“, sagt ein Teammitglied Philipp Dumitrescu. Während der Experimente war er am Flatiron Institute in New York.

Ein Portal zu einer zusätzlichen Zeitdimension zu öffnen – wenn auch theoretisch – klingt spannend, war aber nicht Teil des ursprünglichen Plans der Physiker. „Es war hochinteressant zu sehen, welche neuen Typen von Phasen erzeugt werden konnten“, sagt ein Quantenphysiker von der University of British Columbia und Mitautor der Studie. Andreas Potter. Erst durch die Vorstellung des neuen Zustands erkannte das Team, dass er dabei helfen könnte, Daten in Quantencomputern vor Fehlern zu schützen.

Klassische Standardcomputer codieren Informationen in eine Folge von Nullen und Einsen, während die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern auf der Fähigkeit von Quantenbits (Qubits) beruht, die Werte 0 und 1 oder beide Werte gleichzeitig zu speichern. Denken Sie daran Schrödingers Katzedie gleichzeitig lebendig und tot sein können.

Die meisten Quantencomputer kodieren Informationen über den Zustand jedes Qubits beispielsweise in einer intrinsischen Quanteneigenschaft des Teilchens namens Spin. Der Spin kann nach oben oder unten zeigen, was 0 oder 1 entspricht, oder zwei Richtungen gleichzeitig. Jedes Rauschen – sagen wir ein magnetisches Streufeld – kann Chaos in einem sorgfältig hergestellten Quantensystem anrichten, Spins umkehren und sogar Quanteneffekte vollständig zerstören.

Potter vergleicht diese Verwundbarkeit mit der Übertragung einer Nachricht durch Seilstücke, die in Form von Buchstaben auf dem Boden verstreut sind. “Der Brief wurde gelesen, bis eine leichte Brise wehte und ihn wegtrug.” Um ein robusteres Quantenmaterial zu schaffen, wandte sich Potters Team topologischen Phasen zu. In einem Quantencomputer, der mit Topologie arbeitet, werden Informationen nicht lokal im Zustand jedes Qubits verschlüsselt, sondern auf globaler Ebene mit dem Material verflochten. „Es ist wie ein Knoten, der schwer zu lösen ist, eine Kippa“, vergleicht Potter.

„Topologische Phasen sind faszinierend: Sie bieten eine Möglichkeit, sich vor Fehlern zu schützen, die in das Material eingebaut sind“, fügt der Co-Autor der Studie hinzu. Justin Bonett, ein Quantenphysiker bei der Firma Quantinuum in Broomfield, wo die Experimente durchgeführt wurden. „Der Ansatz unterscheidet sich von herkömmlichen Fehlerkorrekturprotokollen, bei denen ein kleiner Teil des Systems ständig gemessen wird, um das System zu überprüfen, und dann Fehler korrigiert werden.“

Der Quantenprozessor Quantinuum H1 besteht aus einem Filament aus 10 Ytterbium-Ionen in einer Vakuumkammer. Die Position und der Zustand dieser Ionen werden streng durch Laser kontrolliert. Diese “Ionenfalle” ist die Standardmethode zur Manipulation von Ionen.

Beim ersten Versuch, eine fehlertolerante topologische Phase zu schaffen, versuchten Potter und Dumitrescu et al, eine einfache Zeitsymmetrie im Prozessor zu organisieren, indem sie aufgereihten Ionen periodische Schocks mit sich regelmäßig wiederholenden Laserpulsen versetzten. „Unsere vorläufigen Berechnungen ergaben, dass dies schützen würde [квантовый процессор] vor Fehlern“, sagt Potter. Es ist, als würde der stetige Schlag einer Trommel den Rhythmus für die Tänzer am Laufen halten.

Um sicherzustellen, dass sie richtig lagen, ließen die Forscher das Programm auf dem Quantinuum-Prozessor laufen und überprüften die Übereinstimmung der theoretischen Berechnungen mit dem Endzustand aller Qubits. „Es hat überhaupt nicht funktioniert“, lacht Potter. “Es gab absolut unverständliche Dinge.” Angesammelte Fehler reduzierten die Systemleistung jedes Mal für bis zu 1,5 Sekunden.

Das Team erkannte bald, dass das Hinzufügen einer einzigen zeitlichen Symmetrie nicht ausreichte, denn anstatt zu verhindern, dass externe Erschütterungen und Rauschen die Qubits beeinflussten, verstärkten periodische Laserpulse winzige Störungen, erklärt Potter.

Also setzten er und seine Kollegen sich wieder ans Reißbrett, bis sie schließlich zu der Erkenntnis kamen, dass sie eine stabilere topologische Phase erzeugen könnten, wenn sie nicht eine zufällige, sondern irgendwie geordnete Folge von Pulsen ohne regelmäßige Wiederholungen sammeln würden. Die Wissenschaftler berechneten, dass ein solches „quasi-periodisches“ Muster ohne unerwünschte Verstärkung eine multiple Symmetrie in den Ytterbium-Qubits des Prozessors hervorrufen könnte. Sie wählten die gut untersuchte (im mathematischen Sinne) Fibonacci-Folge, bei der die nächste Zahl die Summe der beiden vorherigen ist. Wo also eine regelmäßige periodische Impulsfolge zwischen zwei Frequenzen von zwei Lasern wie A, B, A, B… wechseln kann, funktioniert eine pulsierende Fibonacci-Folge so: A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA….

Während diese Muster tatsächlich aus einer ziemlich komplexen Anordnung von zwei Sätzen unterschiedlicher Laserpulse hervorgingen, kann das System laut Potter als „zwei Laser, die mit zwei unterschiedlichen Frequenzen pulsieren“ betrachtet werden. Diese Welligkeit stellt sicher, dass sich die Pulse zeitlich nicht überlappen.

Für Berechnungen präsentierten die Theoretiker des Teams diese zwei unabhängigen Streiks auf zwei verschiedenen Zeitachsen; jede Kollektion pulsiert gewissermaßen in ihrer eigenen Zeitdimension. Diese beiden Zeitdimensionen können auf der Oberfläche des Torus verfolgt werden. Die quasi-periodische Natur der dualen Zeitlinien wird dadurch deutlich, wie sich jede Zeitlinie immer und immer wieder um den Torus „in einem seltsamen Winkel, der sich nie wiederholt“ windet, sagt Potter.

Das Team implementierte ein neues Programm mit einem quasi-periodischen Ablauf – und das schützte Quantinuum wirklich während des gesamten Tests, nämlich 5,5 Sekunden. „In Sekunden ist das nicht so viel, aber tatsächlich ist der Unterschied frappierend“, sagt Bonet. „Das ist ein klares Zeichen dafür, dass die Demonstration funktioniert.“

„Das ist ziemlich cool“, stimmt er zu. Chetan Nayak ist ein Quantencomputer-Experte an der Microsoft Station Q der UC Santa Barbara, der nicht an der Studie beteiligt war. Er stellt fest, dass zweidimensionale räumliche Systeme im Allgemeinen besser vor Fehlern schützen als eindimensionale, aber teurer und schwieriger zu bauen sind und die geschaffene zweite Zeitdimension diese Einschränkung umgeht. „Ihr eindimensionales System verhält sich wie ein mehrdimensionales System, aber ohne den Aufwand, ein zweidimensionales System zu erstellen“, sagt er. “Es stellt sich heraus, dass es auf den Weihnachtsbaum klettert und den Fisch isst.”

Ein Nicht-Team-Quantenphysiker an der Lancaster University in England Samuli Autti spricht von Tests als „elegant“ und „spannend“. Besonders beeindruckt ihn die Verbindung mit „Dynamik“, also Laserpulsen und Manipulationen, die das System stabilisieren und Qubits bewegen. Die meisten Versuche, Quantencomputer durch Topologie besser zu machen, stützten sich auf weniger aktive Steuerungsmethoden, was ihnen die Flexibilität nahm. Laut Autti ist daher „topologisch geschützte Dynamik das technologische Hauptziel“.

Der Name der neuen topologischen Phase der Materie, obwohl etwas ausführlich, erkennt das Transformationspotential an: die entstehende topologische Phase, geschützt durch dynamische Symmetrie – EDSPT. „Es wäre schön, sich einen eingängigeren Namen auszudenken“, gibt Potter zu.

Der erste fehlgeschlagene Test mit einer periodischen Impulsfolge zeigte übrigens auch, dass der Quantencomputer öfter als erwartet falsch liegt. „Es war eine gute Aufwärmphase und ein Test, wie gut der Quantinuum-Prozessor ist“, sagt Nyack. In der Zwischenzeit entwickeln sich die Quantentechnologien weiter, wir helfen Ihnen, Ihre Fähigkeiten zu verbessern oder einen jederzeit relevanten Beruf von Anfang an zu meistern:

Wähle ein anderes gefragter Beruf.

Similar Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published.