该技术可用于保护量子计算机数据免受错误。

新阶段是通过在量子计算机内向 10 个镱离子发射激光制成的。 （图片来源：Jurik Peter via Shutterstock）

通过向量子计算机内部的原子发射斐波那契激光脉冲，物理学家创造了一种全新的、奇怪的物质相，其行为方式就好像它具有两个时间维度。

通过使用激光有节奏地摇动一串 10 个镱离子而产生的新物质相，使科学家能够以一种更加错误保护的方式存储信息，从而为可以长时间保存数据的量子计算机开辟了道路时间不会变得乱码。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。

纽约市熨斗研究所计算量子物理中心的研究员、主要作者菲利普·杜米特雷斯库在一份声明中说，包含一个理论上的“额外”时间维度“是一种完全不同的思考物质阶段的方式”。 “我已经研究这些理论想法超过五年了，看到它们在实验中真正实现是令人兴奋的。”

物理学家并没有着手创建具有理论上额外时间维度的阶段，他们也没有寻找一种方法来实现更好的量子数据存储。相反，他们感兴趣的是创造一个新的物质阶段——一种物质可以存在的新形式，超越标准的固体、液体、气体、等离子体。

他们着手在量子计算机公司 Quantinuum 的 H1 量子处理器中构建新阶段，该处理器由真空室中的 10 个镱离子组成，这些离子由称为离子阱的设备中的激光精确控制。

普通计算机使用位或 0 和 1 来构成所有计算的基础。量子计算机被设计为使用量子比特，它也可以以 0 或 1 的状态存在。但这只是相似之处的结束。由于量子世界的奇异定律，量子比特可以以 0 和 1 状态的组合或叠加形式存在，直到它们被测量的那一刻，它们随机坍缩成 0 或 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，这一过程被阿尔伯特爱因斯坦称为“远距离的幽灵行动”。纠缠将两个或多个量子比特相互耦合，将它们的属性联系起来，因此一个粒子的任何变化都会导致另一个粒子的变化，即使它们相距很远。这使量子计算机能够同时执行多个计算，与经典设备相比，它们的处理能力呈指数级提升。

但是量子计算机的发展受到一个大缺陷的阻碍：量子比特不仅相互作用，而且相互纠缠。因为它们不能与量子计算机外部的环境完全隔离，它们也会与外部环境相互作用，从而导致它们失去量子特性以及它们携带的信息，这个过程称为退相干。

“即使你严格控制所有原子，它们也可能通过与环境交谈、加热或以你没有计划的方式与事物相互作用而失去‘量子性’，”杜米特雷斯库说。

为了解决这些讨厌的退相干效应并创建一个新的稳定相，物理学家研究了一组称为拓扑相的特殊相。量子纠缠不仅使量子设备能够在量子比特的奇异静态位置上编码信息，而且还能够将它们编织到整个材料的动态运动和相互作用中——以材料纠缠态的形状或拓扑结构.这创建了一个“拓扑”量子比特，它以由多个部分而不是单独一个部分形成的形状对信息进行编码，从而使相位丢失信息的可能性大大降低。

从一个阶段移动到另一个阶段的一个关键标志是物理对称性的破坏——即物理定律在任何时间或空间点上对于一个物体都是相同的。作为液体，水中的分子在空间的每个点和每个方向都遵循相同的物理定律。但是，如果你将水冷却到足以将其转变为冰，它的分子就会沿着晶体结构或晶格选择规则点，将它们自己排列起来。突然间，水分子在空间中占据了首选点，而其他点则空无一人；水的空间对称性自发地被打破了。

在量子计算机内创建一个新的拓扑相也依赖于对称性破缺，但在这个新相中，对称性不是在空间上被打破，而是在时间上被打破。

通过使链中的每个离子与激光发生周期性震动，物理学家希望打破静止离子的连续时间对称性并强加它们自己的时间对称性——其中量子比特在一定的时间间隔内保持不变——这将创造贯穿材料的有节奏的拓扑阶段。

但实验失败了。常规的激光脉冲并没有诱导不受退相干效应影响的拓扑相位，而是放大了来自系统外部的噪声，在打开后不到 1.5 秒就将其摧毁。

在重新考虑实验后，研究人员意识到，要创建一个更强大的拓扑相，他们需要将不止一次的对称性打结到离子链中，以降低系统被打乱的几率。为了做到这一点，他们决定寻找一种脉冲模式，这种模式不会简单而有规律地重复，但在时间上却表现出某种更高的对称性。

这将他们引向了斐波那契数列，在该数列中，序列的下一个数字是通过将前两个数字相加来创建的。虽然一个简单的周期性激光脉冲可能只是在两个激光源（A、B、A、B、A、B 等）之间交替，但它们的新脉冲序列通过组合之前的两个脉冲（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，被有序排列，从不重复。就像准晶体一样，斐波那契脉冲也将更高维度的图案挤压到更低维度的表面上。在诸如彭罗斯平铺的空间准晶体的情况下，五维晶格的切片被投影到二维表面上。在查看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为一个物理时间对称性。

彭罗斯平铺的一个例子（图片来源：Shutterstock）

研究人员在声明中写道：“该系统基本上从不存在的额外时间维度中获得了额外的对称性。”该系统似乎是一种存在于具有两个时间维度的更高维度的材料——即使这在现实中可能在物理上是不可能的。

当团队对其进行测试时，新的准周期斐波那契脉冲创建了一个地形阶段，可以保护系统在整个 5.5 秒的测试期间不会丢失数据。事实上，他们创造了一个比其他相位更长时间不受退相干影响的相位。

Dumitrescu 说：“有了这个准周期序列，就会有一个复杂的演化过程，它可以消除边缘上的所有错误。” “正因为如此，边缘在量子力学上保持一致的时间比你预期的要长得多。”

尽管物理学家实现了他们的目标，但要使他们的相位成为量子程序员的有用工具仍然存在一个障碍：将其与量子计算的计算端集成，以便可以输入计算。

“我们有这个直接的、诱人的应用程序，但我们需要找到一种方法将其连接到计算中，”杜米特雷斯库说。 “这是我们正在研究的一个未解决的问题。”