Ao lançar uma sequência de pulsos de laser inspirada nos números de Fibonacci em átomos dentro de um computador quântico, os físicos criaram uma fase da matéria notável e nunca antes vista. A fase tem os benefícios de duas dimensões de tempo, apesar de ainda haver apenas um fluxo de tempo singular, relatam os físicos em 20 de julho na Natureza .
Essa propriedade alucinante oferece um benefício procurado:as informações armazenadas na fase são muito mais protegidas contra erros do que as configurações alternativas atualmente usadas em computadores quânticos. Como resultado, as informações podem existir sem serem distorcidas por muito mais tempo, um marco importante para tornar a computação quântica viável, diz o principal autor do estudo, Philipp Dumitrescu.

O uso da abordagem de uma dimensão de tempo "extra" "é uma maneira completamente diferente de pensar sobre as fases da matéria", diz Dumitrescu, que trabalhou no projeto como pesquisador do Centro de Física Quântica Computacional do Instituto Flatiron em Nova York. "Eu tenho trabalhado nessas ideias teóricas por mais de cinco anos, e vê-las se tornar realidade em experimentos é emocionante."

Dumitrescu liderou o componente teórico do estudo com Andrew Potter da Universidade de British Columbia em Vancouver, Romain Vasseur da Universidade de Massachusetts, Amherst, e Ajesh Kumar da Universidade do Texas em Austin. Os experimentos foram realizados em um computador quântico na Quantinuum em Broomfield, Colorado, por uma equipe liderada por Brian Neyenhuis.

Os cavalos de batalha do computador quântico da equipe são 10 íons atômicos de um elemento chamado itérbio. Cada íon é retido e controlado individualmente por campos elétricos produzidos por uma armadilha de íons e pode ser manipulado ou medido usando pulsos de laser.

Cada um desses íons atômicos serve como o que os cientistas chamam de bit quântico, ou "qubit". Enquanto os computadores tradicionais quantificam informações em bits (cada um representando 0 ou 1), os qubits usados ​​pelos computadores quânticos aproveitam a estranheza da mecânica quântica para armazenar ainda mais informações. Assim como o gato de Schrödinger está morto e vivo em sua caixa, um qubit pode ser um 0, um 1 ou um mashup - ou "superposição" - de ambos. Essa densidade extra de informações e a maneira como os qubits interagem entre si prometem permitir que os computadores quânticos resolvam problemas computacionais muito além do alcance dos computadores convencionais.

Porém, há um grande problema:assim como espiar na caixa de Schrödinger sela o destino do gato, interagir com um qubit também. E essa interação nem precisa ser deliberada. “Mesmo se você mantiver todos os átomos sob controle rígido, eles podem perder seu quantum conversando com seu ambiente, aquecendo ou interagindo com coisas de maneiras que você não planejou”, diz Dumitrescu. "Na prática, os dispositivos experimentais têm muitas fontes de erro que podem degradar a coerência após apenas alguns pulsos de laser."

O desafio, portanto, é tornar os qubits mais robustos. Para fazer isso, os físicos podem usar "simetrias", essencialmente propriedades que resistem à mudança. (Um floco de neve, por exemplo, tem simetria rotacional porque parece o mesmo quando girado em 60 graus.) Um método é adicionar simetria de tempo explodindo os átomos com pulsos de laser rítmicos. Essa abordagem ajuda, mas Dumitrescu e seus colaboradores se perguntaram se poderiam ir mais longe. Então, em vez de apenas uma simetria de tempo, eles pretendiam adicionar dois usando pulsos de laser ordenados, mas não repetidos.

A melhor maneira de entender sua abordagem é considerar outra coisa ordenada, mas não repetida:"quasicristais". Um cristal típico tem uma estrutura regular e repetitiva, como os hexágonos em um favo de mel. Um quasicristal ainda tem ordem, mas seus padrões nunca se repetem. (A telha de Penrose é um exemplo disso.) Ainda mais surpreendente é que os quasicristais são cristais de dimensões superiores projetados, ou esmagados, em dimensões inferiores. Essas dimensões mais altas podem até estar além das três dimensões do espaço físico:uma telha de Penrose 2D, por exemplo, é uma fatia projetada de uma treliça 5-D.

Para os qubits, Dumitrescu, Vasseur e Potter propuseram em 2018 a criação de um quasicristal no tempo e não no espaço. Enquanto um pulso de laser periódico se alternava (A, B, A, B, A, B, etc.), os pesquisadores criaram um regime de pulso de laser quase periódico baseado na sequência de Fibonacci. Nessa sequência, cada parte da sequência é a soma das duas partes anteriores (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.). Este arranjo, assim como um quasicristal, é ordenado sem repetição. E, semelhante a um quasicristal, é um padrão 2D compactado em uma única dimensão. Esse achatamento dimensional teoricamente resulta em duas simetrias de tempo em vez de apenas uma:o sistema obtém essencialmente uma simetria de bônus de uma dimensão de tempo extra inexistente.

Os computadores quânticos reais são sistemas experimentais incrivelmente complexos, portanto, se os benefícios prometidos pela teoria persistiriam em qubits do mundo real, não foi comprovado.

Usando o computador quântico da Quantinuum, os experimentalistas testaram a teoria. Eles pulsaram a luz do laser nos qubits do computador periodicamente e usando a sequência baseada nos números de Fibonacci. O foco estava nos qubits em cada extremidade da linha de 10 átomos; é onde os pesquisadores esperavam ver a nova fase da matéria experimentando duas simetrias temporais ao mesmo tempo. No teste periódico, os qubits de borda permaneceram quânticos por cerca de 1,5 segundo - já um comprimento impressionante, dado que os qubits estavam interagindo fortemente uns com os outros. Com o padrão quase periódico, os qubits permaneceram quânticos durante toda a duração do experimento, cerca de 5,5 segundos. Isso porque a simetria do tempo extra forneceu mais proteção, diz Dumitrescu.

"Com essa sequência quase periódica, há uma evolução complicada que cancela todos os erros que vivem no limite", diz ele. "Por causa disso, a borda permanece coerente mecanicamente quântica por muito, muito mais tempo do que você esperaria."

Embora as descobertas demonstrem que a nova fase da matéria pode atuar como armazenamento de informações quânticas de longo prazo, os pesquisadores ainda precisam integrar funcionalmente a fase com o lado computacional da computação quântica. "Temos essa aplicação direta e tentadora, mas precisamos encontrar uma maneira de vinculá-la aos cálculos", diz Dumitrescu. "Esse é um problema aberto no qual estamos trabalhando." + Explorar mais

Dobrando os pares Cooper para proteger os qubits em computadores quânticos contra ruído