A kvantumrendszerek hatékonyságának egyik kerékkötője a kvantumbitek érzékenysége: a qubitok állapota a környezet zajától befolyásolva könnyedén megváltozhat, elvesztve vagy megbízhatatlanná téve az általuk hordozott információt is. A kvantumszámítógépek hatalmas aranycsillárra emlékeztető külső kriogenikus hűtési rendszere éppen ezért szükséges összetevő a legtöbb architektúra esetén: a rendkívül alacsony hőmérsékletre hűtött qubitok kevésbé aktívan lépnek interakcióba a környezetükkel, és tovább tartják meg az eredeti kvantumállapotukat. Minél hosszabb ideig sikerül fenntartani egy kvantumbit helyzetét, annál jobb hatásfokkal tud dolgozni a kvantumszámítógép és annál jobban csökken a hibás számítások esélye.

A qubitok élettartamának növelése azonban bonyolult folyamat, méghozzá a különféle módszerek fejlesztése során az is fontos szempontot jelent, hogy a metódus egyszerűen alkalmazható legyen széles körben és gyakorlati körülmények között is. A szobahőmérsékleten működő kvantumszámítógépek, mint az IonQ gépe is, például jó megoldást jelenthetnek a csapdázott ionokat használó technológiával, ami szükségtelenné teszi a hűtőrendszerek alkalmazását, de ebben az esetben is le kell hűteni magukat az ioncsapdába kerülő kvantumbiteket (ezt lézerek segítségével végzik el) és számos cég nem ezt a típusú kvantumrendszert választja a számítógépek felépítéséhez, többek között éppen a dekoherencia veszélye miatt. A csapdázott ionos kvantumrendszerek azonban még a hátrányaikkal együtt is az egyik legígéretesebb verzióját jelentik a kvantumszámítógépes architektúráknak, most pedig egy egészen újszerű módszerrel tovább növelték a teljesítményüket, legalábbis elméletben.

A kutatócsapat, a New York-i Flatiron Intézet Számítógépes Kvantumfizikai Központjának munkatársának, Philipp Dumitrescunak vezetésével egyedi technikával tették robosztusabbá a qubitokat: a szokásos ismétlődő lézerimpulzusok használata helyett a Fibonacci-számsorozat mintázatához hasonló szekvenciájú lézeres kezeléssel hoztak létre olyan szokatlan anyagfázist, ami két idődimenzióval, pontosabban időszimmetriával rendelkezik. A szimmetria fontos szerepet játszik a qubitok stabilitásának fenntartásában: minél több, a változásoknak ellenálló szimmetria jellemzi az atomokat, annál nagyobb valószínűséggel tudják hosszabb ideig tartani az állapotukat zajosabb környezetben is.

A kutatók a Fibonacci-módszert a kvázikristályokkal analóg megoldásként írták le: a kvázikristályok, a valódi kristályokkal ellentétben, nem periodikusan ismétlődő mintázatot alkotó építőelemekből, hanem egy adott mintát soha nem ismétlő, de mégis rendezett formájú struktúrából épülnek fel. Ez az anyagi elrendeződés olyan szokatlan, hogy a kvázikristályokat egy kísérletben először kimutató tudós, Daniel Shechtman munkáját sokáig éles kritikák kísérték, mígnem, majdnem 30 évvel felfedezése után, végül Nobel-díjjal jutalmazták az eredményeit. A kvázikristályok legkülönösebb tulajdonsága, ahogy azt Shechtman is megfigyelte, az, hogy a mintázatukat több dimenzióban, például 5 vagy 6 dimenzióban értelmezve a periodicitás megjelenik, vagyis tulajdonképpen magasabb dimenziókban ugyanúgy szabályosan ismétlődik a minta, mint egy normál kristály esetében.

"A kvázikristályok magasabb dimenziókból alacsonyabb dimenziókba vetített kristályok."

- írják a két idődimenzióval rendelkező qubitokat felfedező tanulmánnyal kapcsolatban a Simons Foundation beszámolójában.

A Fibonacci-számsorozatra épülő lézerimpulzusok tehát ehhez hasonlóan rendszeres, de mégsem ismétlődő időközönként indultak útjukra (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA mintát alkotva), ami egy kétdimenziós minta egydimenzióba való sűrítését jelenti: így sikerült létrehozni a két idődimenziónak megfelelő szimmetriát.

"A rendszer lényegében kap egy bónusz szimmetriát egy nemlétező extra idődimenzióból."

- írja az alapítvány közleménye.

A kísérlethez a Honeywell által kifejlesztett és a Cambridge Quantum és a Honeywell Quantum Solutions összefogásával létrejött Quantinuum által biztosított System Model H1 kvantumprocesszorát használták, ami 10 kvantumbites csapdázott ionos rendszerre épül és itterbium ionokat használ qubitként, a szimulációt pedig az IBM Quiskit programjával végezték el.

A kutatók összegzése szerint a módszer az első kísérleti megvalósítását jelenti egy olyan, tisztán dinamikus topológiai fázisnak, ami egyensúlyban nem tud létrejönni, valamint annak az egydimenziós bozonikus topológiai fázisnak, ami nem függ a szimmetriavédelemtől, vagyis sokkal ellenállóbb állapotot képvisel. Ez utóbbi tulajdonsága a felfedezett új anyagfázisnak lehetővé teszi több qubitos rendszerekben a hosszabb ideig tartó koherenciát és ezáltal az információ hosszabb ideig tartó tárolását, abban az esetben is, ha a kvantumbitek interakciója közben zavaró jellegű áthallások jelennek meg.

(Fotó: Quantinuum, Honeywell)

Egykor a létezésükben sem hittek a tudósok, de most új életre kelnek a kvázikristályok A világ legritkább kristályos anyagainak szerkezete olyan különös, hogy a felfedezésükért felelős kutató évekig gúny és kritikák célpontja volt, eredményeit pedig hitetlenség övezte, mígnem 2011-ben Nobel-díjat kapott a munkájáért. A kvázikristályok most egy új vizsgálatnak köszönhetően akár a mindennapokban is megtalálhatják a helyüket.