理论物理学家已经找到了一种方法，可以通过确保信息保持有序来潜在地增强量子计算机芯片的存储能力，类似于永远旋转的咖啡奶精，这违背了传统物理学的预期。
在早上的咖啡里加一点奶精，白色的液体就会在你的杯子里盘旋。但几秒钟后，这些漩涡就会消失，剩下的就是一杯普通的棕色液体。
类似的事情也发生在量子计算机芯片上，这种设备可以在最小的尺度上利用宇宙的奇怪特性，信息很快就会混杂在一起，限制了这些工具的存储能力。
科罗拉多大学博尔德分校的物理学副教授Rahul Nandkishore说，事实并非如此。
在理论物理学的一个新突破中，他和他的同事们用数学证明，科学家们基本上可以创造出一种牛奶和咖啡永远不会混合的场景——无论你多么努力地搅拌它们。
该小组的发现可能会导致量子计算机芯片的新进展，可能为工程师提供在极其微小的物体中存储信息的新方法。
这项新研究的资深作者Nandkishore说:“想想当你在早上的咖啡中加入奶油时，最初出现的漩涡模式。”“想象一下，无论你观察多长时间，这些图案都会继续旋转和跳舞。”
研究人员仍然需要在实验室里进行实验，以确保这些永无止境的漩涡真的是可能的。但该小组的研究结果是物理学家们在寻求创造长时间处于不平衡状态的材料方面迈出的重要一步——这种追求被称为“遍历性断裂”。
该团队的研究结果最近发表在《物理评论快报》杂志上。
量子存储器
这项研究的共同作者是科罗拉多大学博尔德分校的物理学博士后研究员大卫·斯蒂芬和奥利弗·哈特，他们的研究重点是量子计算中的一个常见问题。
普通的计算机运行在“位”上，它采用0或1的形式。Nandkishore解释说，相比之下，量子计算机使用的是“量子位”，它可以以0、1的形式存在，或者通过量子物理学的奇怪之处，同时存在0和1。工程师们已经用各种各样的东西制造出了量子位，包括被激光捕获的单个原子或被称为超导体的微小设备。
但就像那杯咖啡一样，量子位也很容易混淆。例如，如果你把所有的量子位翻转为一个，它们最终会来回翻转，直到整个芯片变得混乱不堪。
在这项新研究中，Nandkishore和他的同事们可能已经找到了一种解决这种混合趋势的方法。该小组计算出，如果科学家将量子比特排列成特定的模式，这些组合将保留它们的信息，即使你用磁场或类似的干扰来干扰它们。这位物理学家说，这可以让工程师们制造出一种具有量子存储器的设备。
“这可能是一种存储信息的方式，”他说。“你可以将信息写入这些模式，而且这些信息不能被降级。”
切入几何
在这项研究中，研究人员使用数学建模工具来想象一个由数百到数千个量子比特组成的棋盘状排列。
他们发现，诀窍是把量子位塞进一个紧点。纳德基肖尔解释说，如果量子比特靠得足够近，它们就能影响邻居的行为，就像一群人试图挤进电话亭一样。其中一些人可能会直立或倒立，但他们不可能在不推到其他人的情况下翻转过来。
研究人员计算出，如果他们以正确的方式排列这些模式，这些模式可能会在量子计算机芯片周围流动，并且永远不会退化——就像咖啡中永远旋转的奶油云一样。
“这项研究的奇妙之处在于，我们发现我们可以通过几乎简单的几何来理解这一基本现象，”Nandkishore说。
该团队的发现可能影响的不仅仅是量子计算机。
Nandkishore解释说，宇宙中几乎所有的东西，从几杯咖啡到浩瀚的海洋，都趋向于科学家所说的“热平衡”。例如，如果你往杯子里放一块冰块，咖啡的热量会融化冰块，最终形成温度均匀的液体。
然而，他的新发现加入了越来越多的研究，这些研究表明，一些小的物质组织可以抵抗这种平衡——似乎打破了宇宙中一些最不变的定律。
“我们不需要重新计算冰和水，”Nandkishore说。“我们称之为统计物理学的数学领域在描述我们日常生活中遇到的事情方面取得了令人难以置信的成功。但在某些情况下，它可能并不适用。”
参考文献:David T. Stephen, Oliver Hart和Rahul M. Nandkishore的“遍历性破断对任意扰动的可证明鲁棒性”，2024年1月23日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.040401
