Robert Klatt
Eine noch nie beobachtete Phase der Materie in einem Quantencomputer verhält sich so, als ob sie ein Teil von zwei Zeitdimensionen ist.
New York City (U.S.A.). Einen Team des Center for Computational Quantum Physics des Flatiron Institute hat in einem Quantencomputer eine noch nie beobachtete Phase der Materie erzeugt. Die neue Materiephase verhält sich so, als ob sie ein Teil von zwei Zeitdimensionen wäre. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature haben die Physiker dazu atomare Ionen (Qbits) in einem Quantencomputer mit quasiperiodischen Laserimpulsen beschossen.
Die quasiperiodische Abfolge von Laserimpulsen orientierte sich an der Fibonacci-Reihe. Als quasiperiodisch bezeichnet man eine Folge mit einer Ordnung, die sich jedoch niemals wiederholt. Es entsteht so eine Symmetrie der Information, die dazu führt, dass Qbits, die Informationen, die Quantencomputer speichern und verarbeiten, länger und stabiler bestehen bleiben als üblich.
Um zu verstehen, wieso sich die neue Materiephase so verhält, ist ein Vergleich mit Quasikristallen hilfreich. In ihnen sind Moleküle ebenfalls geordnet, aber nicht periodisch vorhanden. Periodische Muster in einer höheren Dimension lassen sich aus solchen nichtperiodischen Muster jedoch formen. Die Wissenschaftler Philipp Dumitrescu, Romain Vasseur und Andrew Potter versuchten deshalb bereits seit vier Jahren für die Qbits einen Quasikristall in der Zeit und nicht im Raum zu bilden.
Genau wie bei einem Quasikristall besteht sind Laserimpulse nach der Fibonacci-Sequenz also eine geordnete, nichtperiodische Folge, die als zweidimensionale periodische Folge abgebildet werden. Ein Resultat dieser dimensionalen Verflachung sind zwei Zeitsymmetrien, weil die zweite Zeitdimension eine eigene Zeitsymmetrie besitzt.
In ihrem Experiment manipulierten die Wissenschaftler eine Folge von zehn Qubits, einmal mit einer quasiperiodischen und einmal mit einer periodischen Folge von Laserimpulsen. Sie fokussierten sich bei der Beobachtung auf die beiden äußeren Atome, an denen die quasiperiodischen Folge eine neue Materiephase mit zwei parallelen Zeitsymmetrien entstehen ließ.
Laut den Forscher führte diese Materiephase zu einer deutlich höheren Stabilität. Unter der periodischen Laserimpulsfolge konnten die Qubits etwa 1,5 Sekunden ihre Informationen speichern. Bei der quasiperiodischer Impulsabfolge bleiben die Informationen für 5,5 Sekunden stabil. Als Grund dafür sehen die Physiker die zweite Zeitsymmetrie.
Laut den Forschern könnte ihre Entdeckung ein wichtiger Schritt für die praktische Nutzung von Quantencomputern sein. Es muss aber noch eine Methode gefunden werden, mit der dieses Verfahren in die Berechnungen von Quantencomputern integriert werden kann.
Nature, doi: 10.1038/s41586-022-04853-4
