當古代印加人想要存檔稅務和人口普查記錄時，他們使用一種由多條繩子組成的裝置，稱為奇普，它將資料編碼在結中。快進幾百年，物理學家們正在開發一種更先進的現代等價物。他們的“奇普”是在量子計算機內創造的一種新的物質狀態，他們的繩子是原子，而結是由雷射脈衝模式產生的，這些模式有效地打開了第二個時間維度。
這並不像乍一看那麼難以理解。新相是拓撲相家族中的眾多相之一，拓撲相最初在 20 世紀 80 年代被發現。這些材料的有序性不是基於其組成部分的排列方式（如晶體中原子的規則間距），而是基於其動態運動和相互作用。創造一種新的拓撲相——即一種新的“物質狀態”——就像應用電磁場和雷射脈衝的新組合來為物質原子的運動和狀態帶來秩序或“對稱性”一樣簡單。這種對稱性可以存在於時間而非空間中，例如，在誘導的重複運動中。時間對稱性可能難以直接觀察到，但科學家可以透過將現實世界的材料想象成來自假設的更高維度空間的較低維度投影，從而在數學上研究它們，類似於二維全息圖是三維物體的較低維度投影的方式。就這種新創造的相而言，它表現在一串離子（帶電原子）中，物理學家可以透過將其視為存在於具有兩個時間維度的更高維度現實中的材料來辨別其對稱性。
“非常令人興奮的是看到這種不尋常的物質狀態在實際實驗中實現，尤其因為數學描述是基於理論上的‘額外’時間維度，”團隊成員 Philipp Dumitrescu 說，他在實驗進行時在紐約市的 Flatiron 研究所工作。一篇描述這項工作的論文於 2022 年 7 月發表在《自然》雜誌上。
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開啟通往額外時間維度的大門——即使只是理論上的大門——聽起來令人興奮，但這並不是研究人員最初的計劃。“我們非常想看看可以創造哪些新型的相，”研究合著者、不列顛哥倫比亞大學的量子物理學家 Andrew Potter 說。只有在設想了他們提出的新相之後，團隊成員才意識到它可以幫助保護量子計算機中正在處理的資料免受錯誤影響。
標準經典計算機將資訊編碼為位元串——0 或 1——而量子計算機的預測能力源於量子位元或量子位儲存 0 或 1 或兩者同時的值的能力（想想薛定諤的貓，它可以同時是死的又是活的）。大多數量子計算機將資訊編碼在每個量子位的狀態中，例如，在稱為自旋的粒子的內部量子屬性中，自旋可以向上或向下指向，分別對應於 0 或 1 或同時指向兩個方向。但是任何噪聲——例如，雜散磁場——都可能對精心準備的系統造成嚴重破壞，隨意翻轉自旋，甚至完全破壞量子效應，從而停止計算。
Potter 將這種脆弱性比作使用繩子片段傳遞訊息，每根繩子都排列成單個字母的形狀並鋪在地板上。“在微風吹來並將字母吹走之前，您可以很好地閱讀它，”他說。為了創造更防錯的量子材料，Potter 的團隊著眼於拓撲相。在利用拓撲結構的量子計算機中，資訊不是區域性編碼在每個量子位的狀態中，而是全域性編織在整個材料中。“這就像一個難以解開的結——就像奇普，”印加人儲存人口普查和其他資料的機制，Potter 說。
“拓撲相之所以引人入勝，是因為它們提供了一種內置於材料中的防錯方法，”研究合著者、量子計算公司 Quantinuum 在科羅拉多州布魯姆菲爾德的量子物理學家 Justin Bohnet 補充說，實驗就在那裡進行。“這與傳統的糾錯協議不同，在傳統的糾錯協議中，您不斷地對系統的一小部分進行測量，以檢查是否存在錯誤，然後再進行糾正。”
Quantinuum 的 H1 量子處理器由一串 10 個量子位——10 個鐿離子——在真空室中組成，雷射精確控制它們的位置和狀態。這種“離子阱”是物理學家用來操縱離子的標準技術。在他們首次嘗試創造一種能夠穩定抵抗錯誤的拓撲相時，Potter、Dumitrescu 及其同事試圖透過定期向離子施加衝擊——所有離子都排列在一維中——透過規則重複的雷射脈衝來賦予處理器簡單的時間對稱性。“我們粗略的計算表明，這將保護 [量子處理器] 免受錯誤的影響，”Potter 說。這類似於穩定的鼓點如何使多個舞者保持節奏。
為了看看他們是否正確，研究人員在 Quantinuum 的處理器上多次執行該程式，並每次檢查所有量子位的最終量子態是否與他們的理論預測相符。“它根本不起作用，”Potter 笑著說。“完全無法理解的東西出來了。”每次，系統中累積的錯誤都會在 1.5 秒內降低其效能。該團隊很快意識到，僅僅新增一個時間對稱性是不夠的。事實上，週期性雷射脈衝不僅沒有阻止量子位受到外部敲擊和噪聲的影響，反而放大了系統中的微小故障，使小的擾動變得更糟，Potter 解釋說。
因此，他和他的同事回到了繪圖板，直到最終，他們找到了一個見解：如果他們可以設計出一種脈衝模式，這種模式本身在某種程度上是有序的（而不是隨機的），但又不會以規則的方式重複，他們可能會創造出更具彈性的拓撲相。他們計算出，這種“準週期性”模式有可能在處理器的鐿量子位中誘匯出多種對稱性，同時避免不必要的放大。他們選擇的模式是數學上經過充分研究的斐波那契數列，其中序列中的下一個數字是前兩個數字之和。（因此，如果規則的週期性雷射脈衝序列可能在來自兩個雷射器的兩個頻率之間交替，如 A、B、A、B ...，則脈衝斐波那契序列將執行為 A、AB、ABA、ABAAB、ABAABABA....）
儘管這些模式實際上是從兩個不同的雷射脈衝集合的相當複雜的排列中出現的，但根據 Potter 的說法，該系統可以簡單地被視為“兩個雷射器以兩個不同的頻率脈衝”，這確保了脈衝在時間上永遠不會重疊。為了進行計算，團隊的理論方面將這兩個獨立的節拍集合想象成沿著兩條獨立的時間線；每個集合都在其自身的時間維度中有效地脈衝。這兩個時間維度可以在環面的表面上追蹤。雙時間線的準週期性透過它們每次以“永遠不會自身重複的奇怪角度”再次包裹環面的方式變得清晰。
當團隊使用準週期序列實施新程式時，Quantinuum 的處理器確實在整個測試期間（5.5 秒）受到了保護。“幾秒鐘聽起來不多，但這是一個非常明顯的差異，”Bohnet 說。“這是一個清晰的跡象，表明演示正在奏效。”
“這非常酷，”加州大學聖巴巴拉分校微軟 Station Q 量子計算專家 Chetan Nayak 同意道，他沒有參與這項研究。他指出，總的來說，二維空間系統比一維繫統提供更好的錯誤保護，但它們更難且更昂貴地構建。團隊建立的有效第二時間維度巧妙地繞過了這個限制。“他們的一維繫統在某些方面像更高維度的系統一樣工作，但沒有構建二維繫統的開銷，”他說。“這是兩全其美，你既得到了蛋糕，又吃掉了它。”
英國蘭卡斯特大學的量子物理學家 Samuli Autti 也未參與該團隊的工作，他將這些測試描述為“優雅”和“引人入勝”，並對它們涉及“動力學”——即穩定系統並移動其組成量子位的雷射脈衝和操作——印象深刻。以前大多數拓撲增強量子計算機的努力都依賴於不太積極的控制方法，這使得它們更靜態且靈活性更差。因此，Autti 說，“具有拓撲保護的動力學是一個重要的技術目標。”
研究人員為他們的新拓撲物質狀態分配的名稱承認了其潛在的變革能力，儘管它有點拗口：湧現動態對稱保護拓撲相，或 EDSPT。“如果能想到一個更吸引人的名字就好了，”Potter 承認。
該專案還有另一個意想不到的好處：最初的週期性脈衝序列失敗測試表明，量子計算機比預期的更容易出錯。“這是測試 Quantinuum 處理器有多好的一個好方法，”Nayak 說。