Nytt materietillstånd beter sig som om det har två tidsdimensioner

I jakten på mer stabila kvantdatorer har fysiker skapat ett tillstånd som har samma fördelar som två tidsdimensioner, men ändå befinner sig på en enda tidslinje.

I jakten på mer stabila kvantdatorer har fysiker skapat ett tillstånd som har samma fördelar som två tidsdimensioner, men ändå befinner sig på en enda tidslinje.

Shutterstock

Föreställ dig en låda för dokument, som du fyller på med ett dokument åt gången. Vid någon tidpunkt finns det inte längre plats för fler dokument.

Föreställ dig sedan att samma låda plötsligt har plats för dubbelt så mycket papper, utan att lådan blir större eller dokumenten mindre. det är snarare så att lådan "lånar" plats från en osynlig extralåda.

Föreställ dig också att lådan inte existerar i rummet, utan i tiden.

Känner du det också som om hjärnan får kortslutning?

Det är åtminstone vad en grupp forskare från flera amerikanska universitet har gjort. De har skapat ett nytt materietillstånd, i vilket atomer beter sig som om de befinner i två tidsdimensioner samtidigt.

Deras resultat har nyligen publicerats i tidskriften Nature.

Stabila kvantdatorer

Det nya tillståndet ska göra kvantdatorer stabilare, eftersom deras skörhet är en av orsakerna till att de ännu inte är särskilt vanligt förekommande.

En klassisk dator är uppbyggd av bitar (den grundläggande informationsenheten), medan en kvantdator grundas på kvantbitar – även kallade qubitar. Det kan närmast liknad vid atomer lagrade med data.

De vanliga datorbitarna behandlar information i ett av två tillstånd – 1 eller 0. Qubitar kan däremot vara både 1, 0 eller bådadera samtidigt. De kan ha alltså ha flera värden samtidigt.

Fenomenet kallas superposition och gör att elektricitet kan ledas åt flera håll på samma gång, vilket är hemligheten bakom kvantdatorns styrka.

Ett problem med qubitar är att det är svårt att hålla kvar dem i kvanttillståndet – det vill säga att ha flera värden samtidigt – i längre tid åt gången. Det medför felaktigheter i kvantdatorer.

Fibonaccisekvensen utlöser tillstånd

Ett sätt att göra qubitar mer robusta är genom att spränga dem med en pulserande laser, vilket är vad forskarna bakom det nya tillståndet har gjort.

Fibonaccisekvens

I Fibonaccis talföljd är varje tal summan av de två föregående talen. Beskrivningar av talföljden hittas hos indiska matematiker redan på 200-talet f.Kr., men den har fått namn efter den medeltida italienske matematikern Leonardo Fibonacci. Om talföljden placeras i en graf bildas en spiral, som även sätter standarden för det gyllene snittet.

© Shutterstock

Laserns puls skapar så kallade tidssymmetrier – stabila mönster – som håller fast qubitarna och gör dem mer motståndskraftiga gentemot förändringar. Men bara under kort tid åt gången, innan de förlorar sina kvantegenskaper.

Forskarna ville se om de kunde hitta något sätt att få qubitar att behålla sina kvantegenskaper under längre tid åt gången.

Laserns puls har en rytm som rör sig i tid. Forskarna skulle lägga till en extra tidssymmetri i samma laserpuls.

För att lägga till denna "extra" tid försökte forskarna skapa en ordnad rytm, som samtidigt inte upprepade sig själv.

De inspirerades av Fibonaccisekvensen, i vilken varje tal är summan av de två föregående. Det är alltså ett system, där en talföljd byggs upp och bildar en sekvens som aldrig upprepas.

Under det första testet sköt forskarna in en vanlig laserstråle i en kvantdator med atomer. Där förblev datorn i ett kvanttillstånd i 1,5 sekunder, vilket är lång tid jämförelsevis.

Under det andra testet sköts den Fibonacci-inspirerade laserpulsen i väg och då förblev systemet i ett kvanttillstånd i 5,5 sekunder, vilket är en hel livstid för en kvantdator.

Atomer kvantdator laser

I denna kvantdator skapade fysiker ett tillstånd av materia, som fungerar som om tiden har två dimensioner. Tillståndet kan hjälpa till att skydda kvantinformationen mot förstörelse i mycket längre tid än befintliga metoder kan. Den gör de qubitar som driver kvantdatorer mer robusta.

© Quantinuum

Det kan vara svårt att föreställa sig, men eftersom atomerna bombarderades med en laserstråle som närmast hade två rytmer samtidigt, fick den extra symmetri från en tidsdimension som inte existerar.

Atomerna fick egenskaperna från en extra tidsdimension, vilket gav dem extra skydd så att de kunde hålla sig kvar i ett kvanttillstånd under längre tid.

Nästa steg blir nu att integrera detta nya dubbeltidsliknande atomtillstånd i funktionella kvantdatorer.