科學家稱造出一種全新的物質型態,「把兩個時間維度壓入同一個時間方向上」,專家稱這有助於增加量子比特的穩定性,減少錯誤的產生。

量子比特是製造量子電腦的基礎單元。為了讓信息在量子處理器內準確地傳遞,現有的技術通常要把量子比特置於極低的溫度下,比如接近絕對零度(零下460華氏度,即約零下273攝氏度),並且還要排除無序磁場的干擾和量子比特之間不必要的影響。

這些因素都會增加量子比特出錯的機率,所以提高量子電腦的準確性是現在量子電腦研究領域要突破的一大難關。這份研究的作者提出,他們所發現的新物質態就是解決這個問題的潛在方案。

他們究竟發現了怎樣一種新物質態?這份7月20日發表於《自然》(Nature)雜誌的研究的作者在給Motherboard的一封電子郵件中解釋說:「儘管他們研究的是新的物質態,但是這和人們熟悉的像固態、液態和氣態這些常規物質態在很多方面都不一樣。」

主要研究者之一加拿大英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)的物理學助理教授安德魯·波特(Andrew Potter)說:「當代人們對物質態的認知是,把物質態定義為物質可以自由移動而不會發生相位的轉變。例如,固態(物質)受熱時不會立即變成液體,只有當受熱到超過某個臨界溫度時,才會融化。」

波特解釋說,他們不從溫度的角度研究對物質態的影響,而是從時間的角度研究物質維持在一個相位內所需的時間邊界。他們造出了一種「動態拓撲相位」。在這種相位(物質態)下,量子系統的錯誤就像普通物質遇到的溫度一樣,成為改變物質態的條件。

這份研究進行的實驗展示,當量子比特穩定在這個物質態下時,至少能屏蔽特定的一類錯誤。而要使物質維持在這個狀態,需要一個很特殊的條件:同時具有兩個時間維度。

研究稱,他們利用一種基於斐波那契數列(Fibonacci sequence)的準周期激光脈衝照射量子比特,能夠把量子比特穩定5.5秒的時間。相比之下,用普通規律周期的激光脈衝,只能使其穩定1.5秒的時間。

波特說:「斐波那契數列是一種不會重複、但又不完全隨機的序列。它使得量子系統出現了兩個獨立的時間維度。」

斐波那契數列可以產生一種準周期的脈衝規律。這和物理學上另一種奇特的物體——準晶體有著很相似的特點。

準晶體是一種非常特殊的晶體。其內部具有普通晶體(例如蜂窩)那樣對稱的結構,但是卻沒有重複性的規律,或者說不具有平移的對稱性。研究稱,這是因為準晶體實際上是把高維度的形式壓縮到一維或二維的形式展現。

研究稱,就像準晶體隱藏了額外的維度一樣,準周期脈衝也隱藏了額外的時間維度。波特說:「這實際上讓我們把兩個時間維度壓縮在同一個時間方向上,使得我們可以穩定量子比特。」◇#

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