Dodaj odrobinę śmietanki do porannej kawy, a wokół filiżanki zaczną wirować chmury białego płynu. Ale daj mu kilka sekund, a zawirowania znikną, pozostawiając zwykły kubek brązowego płynu.
Coś podobnego dzieje się w kwantowych chipach komputerowych – urządzeniach wykorzystujących dziwne właściwości wszechświata w jego najmniejszej skali – gdzie informacje mogą szybko się pomieszać, ograniczając możliwości pamięci tych narzędzi.
Nie musi tak być, powiedział Rahul Nandkishore, profesor fizyki na Uniwersytecie Colorado Boulder.
Dokonując nowego zamachu stanu w fizyce teoretycznej, on i jego koledzy wykorzystali matematykę, aby pokazać, że naukowcy mogą w zasadzie stworzyć scenariusz, w którym mleko i kawa nigdy się nie mieszają – niezależnie od tego, jak mocno je mieszasz.
Odkrycia grupy mogą doprowadzić do nowych postępów w dziedzinie kwantowych chipów komputerowych, potencjalnie zapewniając inżynierom nowe sposoby przechowywania informacji w niewiarygodnie małych obiektach.
„Pomyśl o początkowych wirujących wzorach, które pojawiają się, gdy dodasz śmietankę do porannej kawy” – powiedział Nandkishore, starszy autor nowego badania. „Wyobraźcie sobie, że te wzory nadal wirują i tańczą, niezależnie od tego, jak długo patrzycie”.
Naukowcy nadal muszą przeprowadzać eksperymenty w laboratorium, aby upewnić się, że te niekończące się wiry naprawdę są możliwe. Jednak wyniki grupy stanowią poważny krok naprzód dla fizyków pragnących stworzyć materiały pozostające poza równowagą przez długie okresy czasu – dążenie to znane jest jako „przełamanie ergodyczności”.
Odkrycia zespołu ukazały się w tym tygodniu w najnowszym numerze Physical Review Letters.
Pamięć kwantowa
Badanie, w którym biorą udział współautorzy David Stephen i Oliver Hart, badacze z tytułem doktora w dziedzinie fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Boulder, opierają się na powszechnym problemie w obliczeniach kwantowych.
Normalne komputery działają na „bitach”, które przyjmują postać zer lub jedynek. Nandkishore wyjaśnił, że komputery kwantowe natomiast wykorzystują „kubity”, które mogą istnieć jako zero, jeden lub, poprzez dziwność fizyki kwantowej, zero i jeden jednocześnie. Inżynierowie stworzyli kubity z szerokiej gamy rzeczy, w tym z pojedynczych atomów uwięzionych przez lasery lub maleńkie urządzenia zwane nadprzewodnikami.
Ale tak jak w przypadku tej filiżanki kawy, kubity można łatwo pomylić. Jeśli na przykład zamienisz wszystkie kubity na jeden, w końcu będą się one obracać tam i z powrotem, aż cały chip stanie się zdezorganizowanym bałaganem.
W nowym badaniu Nandkishore i jego współpracownicy mogli znaleźć sposób na obejście tej tendencji do mieszania. Grupa obliczyła, że jeśli naukowcy ułożą kubity w określone wzory, zbiory te zachowają informacje – nawet jeśli zakłócisz je za pomocą pola magnetycznego lub podobnego zakłócenia. Fizyk stwierdził, że mogłoby to pozwolić inżynierom na budowanie urządzeń wyposażonych w swego rodzaju pamięć kwantową.
„Może to być sposób na przechowywanie informacji” – powiedział. „Zapisywałbyś informacje w tych wzorach, a informacji nie można byłoby zdegradować”.
Sięganie po geometrię
W badaniu naukowcy wykorzystali narzędzia do modelowania matematycznego, aby wyobrazić sobie szereg setek do tysięcy kubitów ułożonych we wzór przypominający szachownicę.
Odkryli, że sztuczka polega na umieszczeniu kubitów w ciasnym miejscu. Nadkishore wyjaśnił, że jeśli kubity zbliżą się wystarczająco blisko siebie, mogą wpływać na zachowanie swoich sąsiadów, prawie jak tłum ludzi próbujący wcisnąć się do budki telefonicznej. Niektóre z tych osób mogą stać wyprostowane lub na głowie, ale nie mogą obrócić się w drugą stronę, nie naciskając na innych.
Naukowcy obliczyli, że jeśli odpowiednio ułożą te wzory, mogą opływać chip komputera kwantowego i nigdy nie ulec degradacji – podobnie jak chmury śmietanki wirujące wiecznie w kawie.
„Wspaniałą rzeczą w tym badaniu jest to, że odkryliśmy, że możemy zrozumieć to fundamentalne zjawisko poprzez niemal prostą geometrię” – powiedział Nandkishore.
Odkrycia zespołu mogą mieć wpływ na znacznie więcej niż tylko komputery kwantowe.
Nandkishore wyjaśnił, że prawie wszystko we wszechświecie, od filiżanek kawy po rozległe oceany, dąży do tego, co naukowcy nazywają „równowagą termiczną”. Jeśli na przykład wrzucisz kostkę lodu do kubka, ciepło kawy roztopi lód, tworząc ostatecznie płyn o jednakowej temperaturze.
Jednak jego nowe odkrycia dołączają do rosnącej liczby badań sugerujących, że niektóre małe organizacje materii mogą oprzeć się tej równowadze – pozornie łamiąc niektóre z najbardziej niezmiennych praw wszechświata.
„Nie będziemy musieli od nowa obliczać lodu i wody” – powiedział Nandkishore. „Dziedzina matematyki, którą nazywamy fizyką statystyczną, niezwykle skutecznie opisuje rzeczy, z którymi spotykamy się w życiu codziennym. Są jednak sytuacje, w których może to nie mieć zastosowania”.