量子计算突破：新的物质相是更好的容错方法

光子盒研究院出品

通过将受斐波那契数列启发的激光脉冲序列照射到量子计算机内的原子上，物理学家创造了一种引人注目的、前所未有的物质相。7月20日发表于《自然》杂志的论文[1]表明，尽管仍然只有一个单一的时间流，但该物质相具有两个时间维度。

这种令人费解的特性提供了一个广受欢迎的好处：相比目前量子计算机中使用的设置，存储在物质相中的信息不易出错。论文的主要作者、纽约市Flatiron研究所计算量子物理中心研究员Philipp Dumitrescu说[2]，因此，信息可以在更长时间内不被篡改地存在，这是使量子计算可行的一个重要里程碑。

Dumitrescu说，该方法使用了“额外的”时间维度，“这是一种完全不同的思考物质相的方式，我研究这些理论想法已经五年多了，看到它们在实验中真正实现是令人兴奋的。”

Dumitrescu与温哥华不列颠哥伦比亚大学的Andrew Potter、马萨诸塞大学阿默斯特分校的Romain Vasseur和德克萨斯大学奥斯汀分校的Ajesh Kumar共同领导了该研究的理论部分。实验是在科罗拉多州布鲁姆菲尔德Quantinuum的量子计算机上进行的。

该团队量子计算机包含10个镱离子。每个离子都由离子阱产生的电场单独控制，并且可以使用激光脉冲进行操纵或测量。每个离子作为一个量子比特，就像薛定谔的猫在盒子里既死又活一样，一个量子比特可以是0、1或两者的“叠加”。这种额外的信息密度和量子比特相互作用的方式有望使量子计算机能够处理远远超出传统计算机能力范围的计算问题。

然而，有一个大问题：就像偷看薛定谔的盒子决定了猫的命运一样，与量子比特的相互作用也是如此，即使这种相互作用是不经意的。Dumitrescu说，“即使你将所有的原子都置于严密的控制之下，它们也会因为与环境接触、升温或以你意想不到的方式与事物相互作用而失去量子特性。实际上，实验设备有许多错误源，在几个激光脉冲后就会降低相干性。”

因此，挑战在于让量子比特更具鲁棒性。为了做到这一点，可以使用“对称性”，这本质上是能够承受变化的特性。例如，雪花具有旋转对称性，旋转60度后看起来完全相同。一种方法是通过用有节奏的激光脉冲轰击原子来增加时间对称性。这种方法有帮助，但该团队的目标不是仅仅一种时间对称性，而是通过使用有序但不重复的激光脉冲实现两种时间对称性。

理解他们方法的最佳方式是参照其他有序但不重复的东西：“准晶体”。典型的晶体具有规则的重复结构，就像蜂窝中的六边形。准晶体仍然有序，但它的模式不会重复。彭罗斯瓷砖就是一个例子，如下图所示。更难以置信的是，准晶体是从更高维度投影或压缩到更低维度的晶体。这些更高的维度甚至可以超越物理空间的三维：例如，2D彭罗斯瓷砖就是5D晶格的投影切片。

彭罗斯瓷砖图案是一种准晶体，它具有有序但不重复的结构。这个图案由两个形状组成，是5D正方形晶格的2D投影。

对于量子比特，Dumitrescu、Vasseur和Potter在2018年[3]提出了在时间而不是空间中创建准晶体的建议。鉴于周期性的激光脉冲会交替(A、B、A、B、A、B等)，研究人员基于斐波那契数列创造了一种准周期激光脉冲疗法。在这个数列中，每个数字都是前两个数字的总和(A、AB、ABA、ABAAB、ABAABABA等)。这种排列就像准晶体一样，有序但是没有重复。与准晶体类似，它是一种被压缩成一维的二维模式。

斐波那契数列

从理论上来说，维度扁平化会导致两个时间对称，而不是一个：系统本质上是从一个不存在的额外时间维度获得了额外的对称。然而，实际的量子计算机是极其复杂的实验系统，因此该理论承诺的好处是否会在真实量子比特中持续下去仍未得到证实。

使用Quantinuum的量子计算机，经验主义者将理论付诸实践。他们周期性地向计算机的量子比特发射激光脉冲，并使用基于斐波那契数列的序列。重点是在10个离子序列两端的量子比特；在这里，研究人员希望看到同时具备两种时间对称性的新的物质相。

这种新的物质相使得量子比特更长时间地保持量子态。在周期性测试中，边缘量子比特保持量子态约1.5秒——考虑到量子比特之间的强烈相互作用，这已经是一个令人印象深刻的长度。在准周期模式下，量子比特在整个实验过程中(约5.5秒)保持量子态。这是因为额外的时间对称性提供了更多的保护。

Dumitrescu说，“有了这个准周期序列，就有了一个复杂的进化过程，消除了所有存在于边缘的错误。正因为如此，边缘保持量子力学相干的时间比你预期的要长得多。”

尽管研究结果表明，新的物质相可以作为长期的量子信息存储，但研究人员仍需要将该相与量子计算的计算方面进行功能整合。“我们有这个直接、诱人的应用，但我们需要找到一种方法将其与计算挂钩，”Dumitrescu说。“这是我们正在解决的一个悬而未决问题。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04853-4

[2]https://www.simonsfoundation.org/2022/07/20/strange-new-phase-of-matter-created-in-quantum-computer-acts-like-it-has-two-time-dimensions/

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.070602

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