在量子计算机中创建了一种奇怪的新物质相，其行为就像它具有两个时间维度

诸平

Fig. 1 The Penrose tiling pattern is a type of quasicrystal, which means that it has an ordered yet never-repeating structure. The pattern, composed of two shapes, is a 2D projection of a 5D square lattice. Credit: None

Fig. 2 In this quantum computer, physicists created a never-before-seen phase of matter that acts as if time has two dimensions. The phase could help protect quantum information from destruction for far longer than current methods. Credit: Quantinuum

据西蒙斯基金会（Simons Foundation）2022年7月20日提供的消息，在量子计算机中创建了一种奇怪的新物质相，其行为就像它具有两个时间维度（Strange new phase of matter created in quantum computer acts like it has two time dimensions）。

上述图1（Fig. 1）彭罗斯平铺图案(Penrose tiling pattern)是一种准晶，这意味着它具有一种有序但从不重复的结构。该图案由两个形状组成，是一个5D正方形晶格的二维投影。

物理学家通过在量子计算机内的原子上发射一个受斐波那契数(Fibonacci numbers)启发的激光脉冲序列，创造出了一个前所未有的引人注目的物质相。相关研究结果于2022年7月20日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Philipp T. Dumitrescu, Justin G. Bohnet, John P. Gaebler, Aaron Hankin, David Hayes, Ajesh Kumar, Brian Neyenhuis, Romain Vasseur, Andrew C. Potter. Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulator. Nature, 2022, 607: 463–467. DOI: 10.1038/s41586-022-04853-4.Published: 20 July 2022. http://www.nature.com/articles/s41586-022-04853-4

参与此项研究的有来自美国和加拿大的研究人员，美国的研究人员分别来自美国熨斗研究院（Flatiron Institute, New York, USA；西蒙斯基金会的一个部门）、美国布鲁姆菲尔德的量子机构（Quantinuum, Broomfield, CO, USA）、美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin, TX, USA）、美国阿默斯特的马萨诸塞大学（University of Massachusetts, Amherst, MA, USA）；以及加拿大温哥华（Vancouver, Canada）的不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia简称UBC）的研究人员。物理学家在此报告中说，尽管仍然只有一个单一的时间流，但相位具有两个时间维度的优点。

这种令人费解的特性提供了一个广受欢迎的好处：相较于目前量子计算机中使用的其他设置，存储在此相中的信息更能防止错误。因此，该研究的主要作者菲利普·杜米特雷斯库（Philipp Dumitrescu）说，信息可以长期存在而不被篡改，这是使量子计算可行的一个重要里程碑。

菲利普·杜米特雷斯库说，这种方法使用“额外的”时间维度“是一种完全不同的思考物质相的方式”，他是纽约市熨斗研究院计算量子物理中心（Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics in New York City）的研究员。“我研究这些理论想法已经5年多了，看到它们在实验中真正实现是令人兴奋的。”

菲利普·杜米特雷斯库与温哥华不列颠哥伦比亚大学的安德鲁·波特（Andrew C. Potter）、美国马萨诸塞大学的罗曼·瓦修尔（Romain Vasseur）和德克萨斯大学奥斯汀分校的阿杰什·库马尔（Ajesh Kumar）共同领导了这项研究的理论部分。这些实验是在科罗拉多州布鲁姆菲尔德的量子机构（Quantinum）的量子计算机上进行的，由布莱恩·纽延休斯Brian Neyenhuis领导的团队完成。该团队量子计算机的主要工作是一种叫做镱（ytterbium, Yb）的元素的10个原子离子。每个离子都由离子阱产生的电场单独保持和控制，并且可以使用激光脉冲(laser pulses)进行操作或测量。

这些原子离子中的每一个都被科学家称为量子位(quantum bit or "qubit")。传统的计算机以比特（每个比特代表0或1）来量化信息，而量子计算机使用的量子比特利用量子力学的奇异性来存储更多的信息。就像薛定谔的猫（Schrödinger's cat）在盒子里是死的和活的一样，量子比特可以是0、1、或者混合（mashup）即“叠加（superposition）”——两者兼而有之。这种额外的信息密度和量子比特相互作用的方式有望使量子计算机能够处理远远超出常规计算机能力范围的计算问题。

但有一个大问题:就像偷看薛定谔盒子决定了猫的命运一样，与量子比特互动也决定了猫的命运。这种互动甚至不必是刻意的。菲利普·杜米特雷斯库说:“即使你严格控制所有的原子，它们也会因为与环境对话、加热或以你意想不到的方式与事物互动而失去其量子性（quantumness）。在实践中，实验设备有许多误差源，只要在几个激光脉冲后就会降低相干性。”

因此，挑战在于使量子比特更加健壮。要做到这一点，物理学家可以使用“对称性”，本质上是能够承受变化的属性。例如，雪花具有旋转对称性（rotational symmetry），因为它旋转60度时看起来是一样的。一种方法是用有节奏的激光脉冲轰击原子，增加时间对称性。这种方法很有帮助，但菲利普·杜米特雷斯库和他的合作者想知道他们是否可以走得更远。因此，他们的目标不是仅仅一次对称，而是通过使用有序但不重复的激光脉冲来增加两次对称。

上述由量子机构（Quantinum）提供的图2（Fig. 2）是在这台量子计算机中，物理学家创造了一个前所未有的物质相，它的作用就像时间有两个维度一样。该相有助于保护量子信息免受破坏的时间比目前的方法长得多。

理解他们方法的最好方法是考虑其他有序但不重复的东西：“准晶（quasicrystals）”典型的晶体具有规则的重复结构，就像蜂窝中的六边形。准晶仍然有秩序，但其模式永远不会重复。彭罗斯瓷砖（Penrose tiling）就是一个例子。更令人难以置信的是，准晶是从更高维度投射或挤压到更低维度的晶体。这些更高的维度甚至可以超越物理空间的三维：例如，2D 彭罗斯瓷砖是5-D晶格的投影切片（projected slice）。

对于量子比特，菲利普·杜米特雷斯库、罗曼·瓦修尔和安德鲁·波特于2018年提出(proposed in 2018 )在时间而非空间中创建准晶。鉴于周期性激光脉冲会交替（A、B、A、B、A、B等），研究人员创建了基于斐波那契序列（Fibonacci sequence）的准周期激光脉冲方案。在这样的序列中，序列的每一部分都是前两部分的总和（A、AB、ABA、ABAAB、ABAABABA等）。这种排列就像准晶(quasicrystal)一样，是有序的，没有重复。与准晶类似，它是一种被压缩成一维的二维图案。从理论上讲，维度扁平化会导致两种时间对称性，而不仅仅是一种：系统本质上从一个不存在的额外时间维度获得额外的对称性。

然而，实际的量子计算机是极其复杂的实验系统，因此该理论所承诺的好处是否能在真实的量子位中持续下去仍然是未知数。

使用量子机构（Quantinum）的量子计算机，经验主义者对理论进行了检验。他们周期性地和使用基于斐波那契数的序列向计算机的量子位脉冲激光。重点是10个原子阵列两端的量子位；这就是研究人员希望看到物质的新相同时经历两种时间对称的地方。在周期性测试中，边缘量子位保持量子大约1.5秒，这已经是一个令人印象深刻的长度，因为这些量子位彼此之间有着强烈的相互作用。在准周期模式下，量子比特在整个实验过程中保持量子状态，大约5.5秒。菲利普·杜米特雷斯库说，这是因为额外的时间对称性提供了更多的保护。

他说：“有了这个准周期序列（quasi-periodic sequence），就有了一个复杂的进化过程，可以消除所有存在于边缘的错误。正因为如此，边缘保持量子力学相干的时间比你预期的要长得多。”

虽然研究结果表明，物质的新相可以作为长期的量子信息存储，但研究人员仍需要将该相与量子计算的计算端进行功能整合。菲利普·杜米特雷斯库说：“我们有这个直接、诱人的应用，但我们需要找到一种方法将其与计算挂钩。这是我们正在研究的一个开放问题（open problem）。”

这项工作获得了美国国家科学联合会收敛加速器C轨奖（National Science Federation Convergence Accelerator Track C award no. 2040549）、美国能源部，科学办公室，基础能源科学，早期职业生涯奖(US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences, under Early Career award no. DE-SC0019168)、以及通过斯隆研究奖学金获得阿尔弗雷德·斯隆基金会（Alfred P. Sloan Foundation through Sloan Research Fellowships）的资助。这项研究的开展部分得益于马克斯·普朗克- UBC - UTokyo量子材料中心(Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials)和加拿大第一卓越研究基金(Canada First Research Excellence Fund)、量子材料和未来技术计划(Quantum Materials and Future Technologies Program)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

加倍库珀对以保护量子计算机中的量子比特免受噪声影响（Doubling up Cooper pairs to protect qubits in quantum computers from noise）

Abstract

Nascent platforms for programmable quantum simulation offer unprecedented access to new regimes of far-from-equilibrium quantum many-body dynamics in almost isolated systems. Here achieving precise control over quantum many-body entanglement is an essential task for quantum sensing and computation. Extensive theoretical work indicates that these capabilities can enable dynamical phases and critical phenomena that show topologically robust methods to create, protect and manipulate quantum entanglement that self-correct against large classes of errors. However, so far, experimental realizations have been confined to classical (non-entangled) symmetry-breaking orders^1,2,3,4,5. In this work, we demonstrate an emergent dynamical symmetry-protected topological phase⁶, in a quasiperiodically driven array of ten ¹⁷¹Yb⁺ hyperfine qubits in Quantinuum’s System Model H1 trapped-ion quantum processor⁷. This phase shows edge qubits that are dynamically protected from control errors, cross-talk and stray fields. Crucially, this edge protection relies purely on emergent dynamical symmetries that are absolutely stable to generic coherent perturbations. This property is special to quasiperiodically driven systems: as we demonstrate, the analogous edge states of a periodically driven qubit array are vulnerable to symmetry-breaking errors and quickly decohere. Our work paves the way for implementation of more complex dynamical topological orders^8,9 that would enable error-resilient manipulation of quantum information.