一組物理學家通過向量子計算機內的原子發射一種精心安排的激光脈沖序列，這種序列受到了斐波那契數列的啟發，由此創造出了一種前所未見的物質相。

它的驚人特性在于，盡管只存在一個單一的時間流，但這種相卻具有兩個時間維度的優勢。這種聽上去令人費解的特性，實際上帶來了一種備受青睞的好處，那就是，與目前用于量子計算機的其他設置相比，存儲在這種相中的信息對錯誤的抵御能力要強得多，信息可以存在更久，且不被擾亂。

這項研究已發表在《自然》雜志上，它標志著量子計算的可行性又向前邁進了一步。

讓量子比特更穩定

團隊使用的量子計算機主要包括了10 個鐿原子離子。每個離子都被一個離子阱產生的電場單獨控制，并可以用激光脈沖進行操縱或測量。每一個原子離子就是科學家口中的量子比特。

經典計算機會將信息量化為比特，每個比特代表 0 或 1。而量子計算機使用的量子比特則可以利用量子力學的奇異性來存儲更多信息。正如薛定諤的貓在盒子里既生又死一樣，一個量子比特可以是 0、1 或兩者的 " 混合 "，也叫疊加。

這種額外的信息密度和量子比特相互作用的方式，讓量子計算機有望解決傳統計算機無法企及的計算問題。

不過，在實踐中還存在一個大問題。就像偷看薛定諤的盒子會決定貓的命運一樣，與量子比特的相互作用同樣如此。

即使嚴格控制所有的原子，它們也會因為與環境相互作用，升溫或以某種計劃之外的方式與事物發生相互作用，從而失去量子性。在實踐中，實驗設備有許多誤差源，在短短幾個激光脈沖之后就會降低相干性。

因此，研究人員面臨的最大挑戰之一就是讓量子比特變得更 " 穩固 "。

兩種時間對稱性

要做到這一點，物理學家可以利用對稱性，它本質上來說就是一種能夠包容變化的特性。舉個例子，一片雪花具有旋轉對稱性，因為它在旋轉 60 度后看上去和原來沒什么區別。

一種方法是通過用有節奏的激光脈沖轟擊原子，來提高時間對稱性。這種方法有所助益，但研究人員想知道，他們是否能更進一步。

因此，他們的目標不是只有一種時間對稱性，而是通過使用有序但不重復的激光脈沖來增加兩種時間對稱性。這種方法使用了一個 " 額外 " 的時間維度，這是一種完全不同的思考物質相的方式。

理解這種方法的最好方式，可以先想想其他那些有序但不重復的東西，比如準晶。

典型的晶體有一種規則且重復的結構，就像蜂巢中的六邊形。準晶仍然具有秩序，但它的圖案從不重復。彭羅斯鋪砌就是其中的一個例子。

更神奇的是，準晶來自更高維度的晶體到低維度的投射，或者說 " 壓扁 "。那些高維度甚至可以超越物理空間的三維。例如，一個二維的彭羅斯鋪砌，就是一個五維晶格的投射切片。

彭羅斯鋪砌。

對于量子比特，團隊在 2018 年提出了在時間而非空間上創建一種特別的 " 準晶 "。周期性的激光脈沖會交替出現，也就是 A、B、A、B、A、B…… 而研究人員在斐波那契序列的基礎上提出了一個準周期性的激光脈沖方案。

在這樣的序列中，序列的每一部分都是前兩部分的總和，就是 A、AB、ABA、ABAAB、ABAABABA……這種排列就像準晶一樣，是有序的，但不重復。并且，與準晶類似，它也是一種被壓縮到單一維度的二維模式。

這種維度的扁平化在理論上導致了兩種時間對稱性，而不是只有一種。這個系統實際上從一個不存在的額外時間維度中獲得了一種額外的對稱性。

實驗驗證

不過，實際的量子計算機是非常復雜的實驗系統，所以理論上的優勢是否真的會在現實世界的量子比特中持續存在，仍然沒有得到證實。

因此，研究人員使用量子計算機對這一理論進行了測試。他們周期性地向計算機的量子比特發射激光，并使用了那種基于斐波那契數列的序列。重點是位于 10 個原子排列兩端的量子比特，他們期望在那里看到新的物質相同時經歷兩種時間對稱性。

在周期性測試中，邊緣的量子比特保持了大約 1.5 秒，考慮到量子比特之間的強烈互動，這已經是一個驚人的時長。在準周期模式下，量子比特在整個實驗過程中都保持了量子態，約有 5.5 秒。這是因為額外的時間對稱性提供了更多的保護。

有了這種準周期序列，就有了一種復雜的演化，它可以抵消所有邊緣的錯誤。正因如此，邊緣保持量子力學一致性的時間會比預期的要長得多。

盡管結果表明，新的物質相可以作為長期的量子信息存儲，但研究人員仍然需要在功能上將這種相和計算方面進行整合。有了這種直接的應用，但還要找到一種方法將它與計算掛鉤。這是團隊正在研究的一個開放性問題。