Phoebe Newman 
Zespół naukowców, w tym badacze ze Stanford i Google, stworzył i zaobserwował nową fazę materii, znaną jako kryształ czasu.
Skonstruowanie komputera zdolnego do wykorzystania mocy fizyki kwantowej do wykonywania obliczeń o niespotykanej dotąd złożoności wymaga ogromnych wysiłków na całym świecie. Podczas gdy ogromne przeszkody technologiczne wciąż stoją na drodze do stworzenia takiego komputera kwantowego, obecne prototypy wciąż mogą osiągać imponujące wyczyny.
Na przykład tworzenie nowej fazy materii zwanej „kryształem czasu”. Tak jak struktura kryształu powtarza się w przestrzeni, kryształ czasu powtarza się w czasie, a co najważniejsze, robi to w nieskończoność i bez żadnego innego wkładu energii – jak zegar, który działa bez przerwy bez baterii. Dążenie do tego etapu materii było od dawna wyzwaniem w teorii i doświadczeniu, które w końcu się opłaciło.
W badaniu opublikowanym 30 listopada 2021 r. w czasopiśmie charakter temperamentu, zespół naukowców ze Stanford University, Google Quantum Eye, Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i University of Oxford szczegółowo opisali tworzenie kryształu czasu za pomocą Google Sycamore Statystyki ilościowe sprzęt komputerowy.
Chip Google Sycamore używany do tworzenia kryształu czasu. Źródło: Google Quantum AI
powiedział Matteo Ippoliti, badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Stanforda i współautor pracy. „Zamiast obliczeń, wykorzystaliśmy komputer jako nową platformę eksperymentalną do postrzegania i odkrywania nowych faz materii”.
Dla zespołu ekscytacja ich osiągnięciami polega nie tylko na tworzeniu nowej fazy materii, ale także na otwieraniu możliwości odkrywania nowych systemów w dziedzinie fizyki materii skondensowanej, która bada nowe zjawiska i właściwości wywołane przez kolektywne interakcje wielu rzeczy w systemie. (Takie interakcje mogą być znacznie bogatsze niż właściwości poszczególnych organizmów.)
„Kryształy czasu są wyraźnym przykładem nowego typu nierównowagowej fazy kwantowej materii” – powiedziała Vidika Khemani, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Stanforda i główny autor artykułu badawczego. „Podczas gdy znaczna część naszego zrozumienia fizyki materii skondensowanej zależy od układów równowagi, te nowe urządzenia kwantowe zapewniają nam fascynujący wgląd w nowe układy nierównowagi w fizyce wielociałowej”.
Co za kryształowy czas, a co nie?
Podstawowe składniki do zrobienia kryształu tym razem są następujące: fizyczny odpowiednik muszki owocowej i coś, co ją wzmocni. Drosophila in Physics to model Isinga, od dawna narzędzie do zrozumienia różnych zjawisk fizycznych – w tym przejść fazowych i magnetyzmu – który składa się z sieci, w której zajmuje każda pozycja cząstki, która może być w dwóch stanach, reprezentowanych jako obrót w górę lub w dół.
Podczas studiów podyplomowych Chimani była jej doradcą doktorskim, Shivaji Sundi, a następnie w Uniwersytet Princeton, a Achilleas Lazarides i Roderich Moessner z Instytutu Fizyki Układów Złożonych im. Maxa Plancka nieświadomie natknęli się na ten przepis na tworzenie kryształów czasu. Badali układy nierównowagowe wielu ciał – układy, w których cząstki „utknęły” w stanie, w którym powstały i nigdy nie mogą się rozluźnić w stanie równowagi. Byli zainteresowani zbadaniem faz, które mogą się rozwinąć w takich systemach, gdy są okresowo „kopane” przez laser. Nie tylko byli w stanie znaleźć stabilne fazy nierównowagi, ale także znaleźli taką, w której spin cząstki przeskakiwał pomiędzy wzorami, które powtarzają się w czasie w nieskończoność, dwa razy dłużej niż polecenie lasera, tworząc kryształ czasu.
Widok lodówki Google Mitigation Refrigerator, w której znajduje się plasterek jaworu. Źródło: Google Quantum AI
Okresowy ruch lasera wyznacza określony rytm dynamiki. Normalnie „taniec” uzwojeń powinien zbiegać się z tym rytmem, ale jednocześnie kryształ nie jest. Zamiast tego cykle obracają się między dwoma stanami, kończąc cykl dopiero po kopnięciu przez laser dwa razy. Oznacza to, że spójność czasu kompilacji systemu jest wyłączona. Symetrie odgrywają fundamentalną rolę w fizyce i często są łamane – wyjaśniając pochodzenie zwykłych kryształów, magnesów i wielu innych zjawisk; Jednak symetria translacji w czasie wyróżnia się, ponieważ w przeciwieństwie do innych symetrii nie można jej złamać w równowadze. Okresowe kopnięcie to luka, która umożliwia kryształy czasu.
Podwojenie okresu oscylacji jest niezwykłe, ale nie bezprecedensowe. Oscylacje długotrwałe są również bardzo powszechne w dynamice kwantowej kilku układów cząstek. To, co czyni kryształ czasu wyjątkowym, to fakt, że jest to system milionów rzeczy, które wykazują tego rodzaju skoordynowane zachowanie bez dopływu energii. lub wyciek.
„To całkowicie solidna faza materii, w której nie dostrajasz parametrów ani stanów, ale twój system wciąż jest kwantowy” – powiedział Sundy, profesor fizyki w Oksfordzie i współautor artykułu badawczego. „Nie ma zasilania energią, nie ma wyczerpania energii i trwa wiecznie i obejmuje wiele wysoce reaktywnych cząstek”.
Chociaż może się to wydawać podejrzanie bliskie „maszynie perpetuum mobile”, bliższe spojrzenie ujawnia, że kryształy czasu nie łamią żadnych praw fizycznych. Entropia – miara nieporządku w systemie – pozostaje stała w czasie, marginalnie spełniając drugą zasadę termodynamiki poprzez niezmniejszanie.
Pomiędzy opracowaniem tego planu dotyczącego kryształu czasu a eksperymentem z komputerem kwantowym, który go ożywił, eksperymenty wielu różnych zespołów badaczy osiągnęły wiele kamieni milowych w mniej więcej tym czasie. Jednak dostarczenie wszystkich składników w recepturze „wielu ciał” (zjawisko umożliwiające krystalizację w nieskończenie ustalonym czasie) pozostawało dużym wyzwaniem.
Dla Khemani i jej współpracowników ostatnim krokiem do osiągnięcia sukcesu Crystal była współpraca z zespołem Google Quantum AI. Wspólnie grupa ta wykorzystała sprzęt do obliczeń kwantowych Sycamore firmy Google, aby zaprogramować 20 „spinów” przy użyciu kwantowej wersji informacji z klasycznego komputera, zwanych qubitami.
Ujawniając, jak duże jest obecnie zainteresowanie kryształami czasu, kryształy zostały ponownie rozmieszczone w Nauki ścisłe Ten miesiąc. Ten kryształ został stworzony przy użyciu kubitów wewnątrz diamentu przez naukowców z Delft University of Technology w Holandii.
Szanse kwantowe
Naukowcy byli w stanie potwierdzić swoje twierdzenie o krysztale czasu rzeczywistego dzięki specjalnym możliwościom komputera kwantowego. Chociaż skończony rozmiar i czas koherencji (niedoskonałego) urządzenia kwantowego oznaczały, że ich eksperyment był ograniczony pod względem rozmiaru i czasu trwania – tak, że oscylacje kryształów można było obserwować tylko przez kilkaset cykli, a nie w nieskończoność – naukowcy opracowali różne protokoły do oceny stabilność ich tworzenia. Obejmowały one uruchamianie symulacji do przodu i do tyłu w czasie oraz skalowanie jej w górę.
„Z powodzeniem wykorzystaliśmy pomysłowość komputera kwantowego, aby pomóc nam przeanalizować jego ograniczenia” – powiedział Moessner, współautor artykułu badawczego i dyrektor Instytutu Fizyki Układów Złożonych im. Maxa Plancka. „Zasadniczo powiedział nam, jak poprawić własne błędy, aby odcisk palca doskonałego zachowania kryształu czasu mógł zostać zweryfikowany poprzez obserwacje w ograniczonym czasie”.
Główną sygnaturą idealnego kryształu czasu jest to, że wykazuje on nieokreślone oscylacje wszyscy Państwa. Weryfikacja tej mocy przy wybieraniu stanów była poważnym wyzwaniem eksperymentalnym, a naukowcy opracowali protokół do badania ponad miliona stanów kryształów czasu w zaledwie jednym cyklu urządzenia, co wymaga zaledwie milisekund czasu pracy. Przypomina to oglądanie fizycznego kryształu pod wieloma kątami, aby sprawdzić jego powtarzającą się strukturę.
„Unikalną cechą naszego procesora kwantowego jest jego zdolność do tworzenia wysoce złożonych stanów kwantowych” – powiedział Xiao Mei, badacz Google i współautor artykułu badawczego. „Stany te pozwalają na skuteczne badanie struktur fazowych materiału bez konieczności badania całej przestrzeni obliczeniowej — zadanie, które w innym przypadku byłoby niewykonalne”.
Tworzenie nowej fazy materii jest niewątpliwie ekscytujące na poziomie fundamentalnym. Ponadto fakt, że badacze ci byli w stanie to zrobić, wskazuje na rosnącą przydatność komputerów kwantowych do zastosowań innych niż informatyka. „Jestem optymistą, że przy większej liczbie lepszych kubitów nasze podejście może stać się główną metodą badania dynamiki nierównowagi” — powiedział Pedram Roshan, badacz Google i starszy autor artykułu.
„Uważamy, że obecnie najbardziej ekscytującym zastosowaniem komputerów kwantowych jest wykorzystanie ich jako platform dla fundamentalnej fizyki kwantowej” – powiedział Ippoliti. „Dzięki wyjątkowym możliwościom tych systemów istnieje nadzieja, że odkryjesz nowe zjawiska, których się nie spodziewałeś”.
Odniesienie: „Ranking czasowo-krystaliczny w stanie własnym na procesorze kwantowym” autorstwa Xiao Mi, Matteo Ippoliti, Chrisa Quintany, Ami Greene, Zijuna Chena, Jonathana Grossa, Franka Arute, Kunal Arya, Juana Atalaya, Ryana Babbusha, Josepha C. Bardina, Joao Basso, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexander Borassa, Leon Brill, Michael Bruton, Bob Buckley, David A. Boyle, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Benjamin Quiarro, Roberto Collins, William Courtney, Drepto DeBroy, Sean Demora, Alan R. Dirk , Andrew Dunsworth, Daniel Ebbins, Katherine Erickson, Edward Farhey, Austin J. Fowler, Brooks Fox, Craig Gedney, Marisa Justina, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Jeremy Hilton, Alan Ho, Sabrina Hong, Trent Huang, Ashley Hove, William J. Huggins, LB Evland, Sergey V. Isakov, Justin Evland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Caffrey, Tanuj Khattar, Seon Kim, Alexei Kitaev, Paul F. Klimov, Alexander N. Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Pavel Laptev, Joonho Lee, Kenny Lee, Aditya Locharl A, Eric Lucero, Orion Martin, Jarrod R MacLean, Trevor McCourt, Matt McQueen, Kevin C. Meow, Masoud Mohseni, Shirin Montazeri, Wojciech Morozkowicz , Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Thomas Yusin z domu O’Brien, Alex Obrimshak, Eric Ostby, Balint Pato, Andrei Petukhov, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vladimir Schwarz, Yuan Su, Doug Strin, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jimmy Yao, Bing Yeh, Guo-Huan Yu, Adam Zilkmann, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Migrant, Julian Kelly, Yu Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Constantin Kishidji, Fedramica Khoshani, 30 listopada 2021 r., charakter temperamentu.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w
Prace były prowadzone przez Uniwersytet Stanforda, Google Quantum AI, Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems oraz University of Oxford. Pełna lista autorów jest dostępna pod adresem charakter temperamentu papier.
Badania te zostały sfinansowane przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA).Darpa), Google Research Award, Sloan Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation oraz Deutsche Forschungsgemeinschaft.
