[ad_1]
Dodaj odrobinę śmietanki do porannej kawy, a chmury białego płynu zawirują wokół twojego kubka. Ale po kilku sekundach te wiry znikną, pozostawiając zwykły kubek z brązowym płynem.
Coś podobnego dzieje się w chipach komputerów kwantowych – urządzeniach, które wykorzystują dziwne właściwości wszechświata w jego najmniejszych skalach – gdzie informacje mogą szybko się mieszać, ograniczając możliwości pamięci tych narzędzi.
Nie musi tak być, powiedział Rahul Nandkishore, profesor nadzwyczajny fizyki na University of Colorado Boulder.
W nowym przewrocie dla fizyki teoretycznej, on i jego koledzy wykorzystali matematykę, aby pokazać, że naukowcy mogą stworzyć zasadniczo scenariusz, w którym mleko i kawa nigdy się nie zmieszają – bez względu na to, jak mocno je mieszasz.
Odkrycia grupy mogą prowadzić 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 dodajesz śmietankę do porannej kawy” – powiedział Nandkishore, starszy autor nowego badania. „Wyobraź sobie, że te wzory nadal wirują i tańczą bez względu na to, jak długo na nie patrzysz”.
Naukowcy muszą jeszcze przeprowadzić eksperymenty w laboratorium, aby upewnić się, że te niekończące się wiry są naprawdę możliwe. Ale wyniki grupy są dużym krokiem naprzód dla fizyków starających się tworzyć materiały, które pozostają poza równowagą lub równowagą przez długi czas – dążenie znane jako „łamanie ergodyczności”.
Odkrycia zespołu ukazały się w tym tygodniu w najnowszym numerze czasopisma Physical Review Letters.
Pamięć kwantowa
Badanie, którego współautorami są David Stephen i Oliver Hart, podoktoranccy badacze fizyki w CU Boulder, opiera się na powszechnym problemie w obliczeniach kwantowych.
Zwykłe komputery działają na „bitach”, które przybierają formę zer lub jedynek. Nandkishore wyjaśnił, że komputery kwantowe, w przeciwieństwie do nich, wykorzystują „kubity”, które mogą istnieć jako zero, jeden lub, dzięki dziwności fizyki kwantowej, zero i jeden w tym samym czasie. Inżynierowie stworzyli kubity z szerokiej gamy rzeczy, w tym pojedynczych atomów uwięzionych przez lasery lub maleńkich urządzeń zwanych nadprzewodnikami.
Ale podobnie jak filiżanka kawy, kubity mogą się łatwo pomieszać. Jeśli na przykład odwrócisz wszystkie qubity na jedną stronę, w końcu będą się one obracać w tę i z powrotem, aż cały chip stanie się nieuporządkowanym bałaganem.
W nowych badaniach Nandkishore i jego koledzy być może znaleźli sposób na obejście tej tendencji do mieszania. Grupa obliczyła, że jeśli naukowcy ułożą kubity w określone wzory, te zespoły zachowają swoje informacje – nawet jeśli zakłócisz je za pomocą pola magnetycznego lub podobnego zakłócenia. Fizyk powiedział, że może to pozwolić inżynierom na budowę urządzeń z rodzajem pamięci kwantowej.
„To może być sposób na przechowywanie informacji” – powiedział. „Można by zapisywać informacje w tych wzorach, a informacje nie mogłyby ulec degradacji”.
Wykorzystanie geometrii
W badaniu naukowcy wykorzystali narzędzia modelowania matematycznego, aby wyobrazić sobie tablicę setek do tysięcy kubitów ułożonych we wzór przypominający szachownicę.
Odkryli oni, że sztuczka polega na upchnięciu kubitów w ciasnym miejscu. Jeśli kubity znajdą się wystarczająco blisko siebie, wyjaśnił Nadkishore, mogą wpływać na zachowanie swoich sąsiadów, prawie jak tłum ludzi próbujących wcisnąć się do budki telefonicznej. Niektóre z tych osób mogą stać pionowo lub na głowie, ale nie mogą obrócić się w drugą stronę bez popychania wszystkich innych.
Naukowcy obliczyli, że gdyby ułożyli te wzory we właściwy sposób, mogłyby one przepływać wokół chipa komputera kwantowego i nigdy nie uległyby degradacji – podobnie jak te chmury śmietanki wirujące wiecznie w kawie.
„Wspaniałą rzeczą w tym badaniu jest to, że odkryliśmy, że możemy zrozumieć to fundamentalne zjawisko za pomocą niemal prostej geometrii” – powiedział Nandkishore.
Odkrycia zespołu mogą mieć wpływ nie tylko na 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 upuścisz kostkę lodu do kubka, ciepło z kawy stopi lód, ostatecznie tworząc ciecz o jednolitej temperaturze.
Jego nowe odkrycia dołączają jednak do rosnącej liczby badań, które sugerują, że niektóre małe organizacje materii mogą oprzeć się tej równowadze – pozornie łamiąc niektóre z najbardziej niezmiennych praw wszechświata.
„Nie będziemy musieli przerabiać naszej matematyki dla lodu i wody” – powiedział Nandkishore. „Dziedzina matematyki, którą nazywamy fizyką statystyczną, jest niezwykle skuteczna w opisywaniu rzeczy, z którymi spotykamy się w życiu codziennym. Istnieją jednak sytuacje, w których może ona nie mieć zastosowania”.
[ad_2]