Uusi aineen tila käyttäytyy kuin sillä olisi kaksi aikaulottuvuutta

Kvanttitietokonetta kehittelevät fyysikot ovat luoneet aineelle olomuodon, jossa se käyttäytyy kuin sillä olisi kaksi aikaulottuvuutta.

Kvanttitietokonetta kehittelevät fyysikot ovat luoneet aineelle olomuodon, jossa se käyttäytyy kuin sillä olisi kaksi aikaulottuvuutta.

Shutterstock

Kuvittele, että sinulla on laatikko, johon panet papereita yksi kerrallaan. Tietyssä vaiheessa laatikkoon ei enää mahdu lisää papereita.

Kuvittele sitten, että samaan laatikkoon mahtuukin kaksinkertainen määrä papereita ilman, että laatikon koko kasvaa tai paperien koko pienenee. Sen sijaan laatikko lainaa tilaa näkymättömältä toiselta laatikolta.

Kuvittele sitten vielä, että laatikko on olemassa ajassa mutta ei tilassa.

Menivätkö sinunkin aivosi solmuun?

Juuri tällaisen ilmiön yhdysvaltalainen tutkijaryhmä on luonut. He ovat saaneet atomit olomuotoon, jossa ne käyttäytyvät kuin ne olisivat kahdessa aikaulottuvuudessa yhtä aikaa.

Tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä.

Tavoitteena vakaa kvanttitietokone

Uusi olomuoto voi vakauttaa kvanttitietokoneita. Juuri epävakauden vuoksi kvanttitietokoneet eivät ole yleistyneet.

Tavanomaisessa tietokoneessa tieto on bitteinä. Bitti on tiedon pienin käsiteltävä osa. Kvanttitietokoneissa tieto on kvanttibitteinä eli kubitteina. Kubitti on ikään kuin atomi, johon on varastoitu tietoa.

Tavallinen bitti voi olla yhdessä olomuodossa yhtä aikaa: se on joko 1 tai 0. Kubitti sen sijaan voi olla 1, 0 tai kumpaakin yhtä aikaa. Kubitilla voi siis olla samanaikaisesti monta arvoa.

Tätä ominaisuutta kutsutaan superpositioksi. Sen ansiosta kvanttitietokoneessa sähkö voi kulkea montaa reittiä yhtä aikaa. Se taas antaa kvanttitietokoneelle valtavan tehon.

Kubittien on kuitenkin vaikea pysyä kvanttiolomuodossa – tilassa, jossa niillä on monta arvoa yhtä aikaa – pitkiä aikoja yhteen menoon. Siksi kvanttitietokone tekee virheitä.

Fibonaccin lukujono vakautti kvantit

Kubitit saadaan vakaammiksi, kun niitä pommitetaan sykäyksittäisellä lasersäteellä. Näin yhdysvaltalaistutkijat tekivät.

Fibonaccin lukujono

Fibonaccin lukujonossa jokainen luku on kahden edellisen luvun summa. Intialaiset matemaatikot käsittelevät tällaista lukujonoa jo 200-luvulla eaa., mutta se on nimetty keskiajalla eläneen italialaismatemaatikon Leonardo Fibonaccin mukaan. Jos lukujono esitetään kaaviona, syntyy spiraali, jossa on niin sanottu kultainen leikkaus.

© Shutterstock

Lasersykäykset saavat aikaan niin sanottuja aikasymmetrioita. Ne ovat vakaita kuvioita, jotka pitävät kubitit paikoillaan ja muuttumattomina. Lasersykäykset vaikuttavat kuitenkin vain pienen hetken kerrallaan juuri ennen kuin kubitti menettää kvanttiominaisuutensa.

Tutkijat etsivät keinoa saada kubitit säilyttämään kvanttiominaisuutensa pidempään.

Lasersäteen sykäysten rytmi liikkuu ajassa. Tutkijat päättivät lisätä samaan lasersäteen rytmiin ylimääräisen aikasymmetrian.

Tätä varten tarvittiin lasersäteelle systemaattinen rytmi, joka ei kuitenkaan toistanut itseään.

Tutkijat ottivat mallia niin sanotusta Fibonaccin lukujonosta. Siinä jokainen luku on kahden edellisen luvun summa. Se on siis järjestelmällisesti kasvava lukujono, joka ei koskaan toista itseään.

Tutkijat suuntasivat kvanttitietokoneen atomeihin ensin tavallisen lasersäteen. Atomit pysyivät kvanttiolomuodossa 1,5 sekuntia. Se on kvanttimaailmassa pitkä aika.

Sitten atomeihin suunnattiin Fibonaccin lukujonon mukaisessa rytmissä sykkivä lasersäde. Se piti atomit kvanttitilassa 5,5 sekuntia. Se on kvanttimaailmassa hyvin pitkä aika.

Atomeja kvanttietokoneessa

Tässä kvanttitietokoneessa luotiin aineen olomuoto, jossa atomit käyttäyvät kuin niillä olisi kaksi aikaulottuvuutta yhtä aikaa. Siinä olomuodossa atomit pysyivät ennätyspitkaan kvanttiolomuodossa. Siinä olomuodossa kubitit eli kvanttitietokoneen tiedon yksiköt pysyvät vakaina.

© Quantinuum

Tutkijat selittävät tapahtuneen näin: kun atomeja pommitettiin lasersäteellä, jossa oli ikään kaksi kuin kaksi rytmiä samanaikaisesti, säde sai ylimääräisen aikasymmetrian toisesta aikaulottuvuudesta, jota ei ole olemassa. Näin atomit saivat ylimääräisen aikaulottuvuuden ominaisuudet ja niiden avulla ne pystyivät säilyttämään kvanttiolomuotonsa pidempään.

Seuraavaksi tutkijat yrittävät soveltaa tätä atomien kaksoisaikaulottuvuutta toimivassa kvanttitietokoneessa.