当古代印加人想要存档税务和人口普查记录时，他们使用一种由多条绳子组成的装置，称为奇普，它将数据编码在结中。快进几百年，物理学家们正在开发一种更先进的现代等价物。他们的“奇普”是在量子计算机内创造的一种新的物质状态，他们的绳子是原子，而结是由激光脉冲模式产生的，这些模式有效地打开了第二个时间维度。
这并不像乍一看那么难以理解。新相是拓扑相家族中的众多相之一，拓扑相最初在 20 世纪 80 年代被发现。这些材料的有序性不是基于其组成部分的排列方式（如晶体中原子的规则间距），而是基于其动态运动和相互作用。创造一种新的拓扑相——即一种新的“物质状态”——就像应用电磁场和激光脉冲的新组合来为物质原子的运动和状态带来秩序或“对称性”一样简单。这种对称性可以存在于时间而非空间中，例如，在诱导的重复运动中。时间对称性可能难以直接观察到，但科学家可以通过将现实世界的材料想象成来自假设的更高维度空间的较低维度投影，从而在数学上研究它们，类似于二维全息图是三维物体的较低维度投影的方式。就这种新创造的相而言，它表现在一串离子（带电原子）中，物理学家可以通过将其视为存在于具有两个时间维度的更高维度现实中的材料来辨别其对称性。
“非常令人兴奋的是看到这种不寻常的物质状态在实际实验中实现，尤其因为数学描述是基于理论上的‘额外’时间维度，”团队成员 Philipp Dumitrescu 说，他在实验进行时在纽约市的 Flatiron 研究所工作。一篇描述这项工作的论文于 2022 年 7 月发表在《自然》杂志上。
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打开通往额外时间维度的大门——即使只是理论上的大门——听起来令人兴奋，但这并不是研究人员最初的计划。“我们非常想看看可以创造哪些新型的相，”研究合著者、不列颠哥伦比亚大学的量子物理学家 Andrew Potter 说。只有在设想了他们提出的新相之后，团队成员才意识到它可以帮助保护量子计算机中正在处理的数据免受错误影响。
标准经典计算机将信息编码为比特串——0 或 1——而量子计算机的预测能力源于量子比特或量子位存储 0 或 1 或两者同时的值的能力（想想薛定谔的猫，它可以同时是死的又是活的）。大多数量子计算机将信息编码在每个量子位的状态中，例如，在称为自旋的粒子的内部量子属性中，自旋可以向上或向下指向，分别对应于 0 或 1 或同时指向两个方向。但是任何噪声——例如，杂散磁场——都可能对精心准备的系统造成严重破坏，随意翻转自旋，甚至完全破坏量子效应，从而停止计算。
Potter 将这种脆弱性比作使用绳子片段传递消息，每根绳子都排列成单个字母的形状并铺在地板上。“在微风吹来并将字母吹走之前，您可以很好地阅读它，”他说。为了创造更防错的量子材料，Potter 的团队着眼于拓扑相。在利用拓扑结构的量子计算机中，信息不是局部编码在每个量子位的状态中，而是全局编织在整个材料中。“这就像一个难以解开的结——就像奇普，”印加人存储人口普查和其他数据的机制，Potter 说。
“拓扑相之所以引人入胜，是因为它们提供了一种内置于材料中的防错方法，”研究合著者、量子计算公司 Quantinuum 在科罗拉多州布鲁姆菲尔德的量子物理学家 Justin Bohnet 补充说，实验就在那里进行。“这与传统的纠错协议不同，在传统的纠错协议中，您不断地对系统的一小部分进行测量，以检查是否存在错误，然后再进行纠正。”
Quantinuum 的 H1 量子处理器由一串 10 个量子位——10 个镱离子——在真空室中组成，激光精确控制它们的位置和状态。这种“离子阱”是物理学家用来操纵离子的标准技术。在他们首次尝试创造一种能够稳定抵抗错误的拓扑相时，Potter、Dumitrescu 及其同事试图通过定期向离子施加冲击——所有离子都排列在一维中——通过规则重复的激光脉冲来赋予处理器简单的时间对称性。“我们粗略的计算表明，这将保护 [量子处理器] 免受错误的影响，”Potter 说。这类似于稳定的鼓点如何使多个舞者保持节奏。
为了看看他们是否正确，研究人员在 Quantinuum 的处理器上多次运行该程序，并每次检查所有量子位的最终量子态是否与他们的理论预测相符。“它根本不起作用，”Potter 笑着说。“完全无法理解的东西出来了。”每次，系统中累积的错误都会在 1.5 秒内降低其性能。该团队很快意识到，仅仅添加一个时间对称性是不够的。事实上，周期性激光脉冲不仅没有阻止量子位受到外部敲击和噪声的影响，反而放大了系统中的微小故障，使小的扰动变得更糟，Potter 解释说。
因此，他和他的同事回到了绘图板，直到最终，他们找到了一个见解：如果他们可以设计出一种脉冲模式，这种模式本身在某种程度上是有序的（而不是随机的），但又不会以规则的方式重复，他们可能会创造出更具弹性的拓扑相。他们计算出，这种“准周期性”模式有可能在处理器的镱量子位中诱导出多种对称性，同时避免不必要的放大。他们选择的模式是数学上经过充分研究的斐波那契数列，其中序列中的下一个数字是前两个数字之和。（因此，如果规则的周期性激光脉冲序列可能在来自两个激光器的两个频率之间交替，如 A、B、A、B ...，则脉冲斐波那契序列将运行为 A、AB、ABA、ABAAB、ABAABABA....）
尽管这些模式实际上是从两个不同的激光脉冲集合的相当复杂的排列中出现的，但根据 Potter 的说法，该系统可以简单地被视为“两个激光器以两个不同的频率脉冲”，这确保了脉冲在时间上永远不会重叠。为了进行计算，团队的理论方面将这两个独立的节拍集合想象成沿着两条独立的时间线；每个集合都在其自身的时间维度中有效地脉冲。这两个时间维度可以在环面的表面上追踪。双时间线的准周期性通过它们每次以“永远不会自身重复的奇怪角度”再次包裹环面的方式变得清晰。
当团队使用准周期序列实施新程序时，Quantinuum 的处理器确实在整个测试期间（5.5 秒）受到了保护。“几秒钟听起来不多，但这是一个非常明显的差异，”Bohnet 说。“这是一个清晰的迹象，表明演示正在奏效。”
“这非常酷，”加州大学圣巴巴拉分校微软 Station Q 量子计算专家 Chetan Nayak 同意道，他没有参与这项研究。他指出，总的来说，二维空间系统比一维系统提供更好的错误保护，但它们更难且更昂贵地构建。团队创建的有效第二时间维度巧妙地绕过了这个限制。“他们的一维系统在某些方面像更高维度的系统一样工作，但没有构建二维系统的开销，”他说。“这是两全其美，你既得到了蛋糕，又吃掉了它。”
英国兰卡斯特大学的量子物理学家 Samuli Autti 也未参与该团队的工作，他将这些测试描述为“优雅”和“引人入胜”，并对它们涉及“动力学”——即稳定系统并移动其组成量子位的激光脉冲和操作——印象深刻。以前大多数拓扑增强量子计算机的努力都依赖于不太积极的控制方法，这使得它们更静态且灵活性更差。因此，Autti 说，“具有拓扑保护的动力学是一个重要的技术目标。”
研究人员为他们的新拓扑物质状态分配的名称承认了其潜在的变革能力，尽管它有点拗口：涌现动态对称保护拓扑相，或 EDSPT。“如果能想到一个更吸引人的名字就好了，”Potter 承认。
该项目还有另一个意想不到的好处：最初的周期性脉冲序列失败测试表明，量子计算机比预期的更容易出错。“这是测试 Quantinuum 处理器有多好的一个好方法，”Nayak 说。