Вперше фізики перетворили квантовий процесор на стан матерії, який, здається, суперечить законам фізики. Цей прорив може стати кроком до того, щоб зробити квантові обчислення більш практичними.
Квантові комп’ютери обіцяють розширити спектр алгоритмів, які можна виконувати швидко та ефективно, потенційно прискорюючи дослідження у багатьох сферах — від фізики частинок до фармакології та метеорології.
Хоча було досягнуто значного прогресу у створенні фундаментів цієї технології, зі збільшенням її масштабів виникає серйозна перешкода — помилки.
Експериментально змусивши квантовий комп’ютер поводитися як стійка форма часового кристала, група фізиків із Китаю та США сподівається зменшити кількість помилок у технології в міру її масштабування.
Часові кристали — це групи частинок, які демонструють повторювані закономірності. Якщо в звичайних кристалах, таких як алмаз чи кварц, ці закономірності проявляються у тривимірному просторі, то часові кристали періодично змінюються у часі, як маятник, що коливається.
Їх унікальність полягає в здатності робити це без зовнішнього впливу або всупереч йому. Часові кристали коливаються у своєму найнижчому енергетичному стані у власному ритмі, подібно до дитини, яка самостійно розгойдується на гойдалці, ігноруючи ритмічні поштовхи батьків.
Ідея часових кристалів, запропонована відомим фізиком Френком Вільчеком у 2012 році, спочатку викликала чимало скептицизму.
З того часу було експериментально продемонстровано ряд систем із подібною поведінкою, що відкриває інженерам новий інструмент для вимірювань і маніпуляцій у світі, а також потенційне рішення проблеми точності у квантових обчисленнях.
Звичайні обчислення базуються на логіці, побудованій із використанням двійкових цифр, представлених 1 і 0. Натомість квантові обчислення працюють із “кубітами”, які здатні виконувати унікальні види обчислень, дозволяючи розв’язувати складні алгоритми за один крок.
Кубіт нагадує невизначений стан, подібний до карти на столі, масть якої ще не розкрито. Як картяр використовує шанси на свою користь, так і квантовий комп’ютер використовує потенціал кубіта для виконання обчислень. Об’єднання кубітів через їхню заплутаність дозволяє створити складнішу систему, що підвищує ефективність обчислень.
Проте кубіти можуть заплутуватися з будь-якими об’єктами у своєму середовищі, створюючи “шум” і порушуючи програму. Масштабування системи до тисяч кубітів значно підвищує ймовірність таких перешкод.
Часові кристали вже пропонувалися як спосіб зменшення квантових помилок, але перехід від теорії до практичного застосування був складним.
Одна з форм часових кристалів, відома як “топологічна”, має перевагу над іншими. Якщо окремі осциляції демонструють властивості часових кристалів у певній зоні частинок, то топологічний часовий кристал проявляє маятниковий рух як загальну властивість всієї системи, завдяки явищу квантової заплутаності.
Це узагальнене поширення осциляцій менш чутливе до локальних перешкод, забезпечуючи ідеальний рух маятника навіть за умов впливу на окремі області системи.
Експериментуючи зі створенням стабільної форми надпровідного квантового комп’ютера, що демонструє поведінку топологічного часових кристалів, команда виявила можливість створення менш вразливої до перешкод квантової системи.
Випробування показали, що система могла працювати за умов моделювання шуму в середовищі, залишаючись стабільною. Експеримент також засвідчив потенціал використання подібних надпровідних схем для дослідження нестабільних станів, характерних для часових кристалів.
Як доказ концепції, незвичні властивості часових кристалів можуть відіграти важливу роль у майбутніх технологіях.
Це дослідження було опубліковане в журналі Nature Communications.