Stanford și Google colaborează pentru a crea cristale de timp folosind computere cuantice

O echipă de cercetători, inclusiv cercetători de la Stanford și Google, a creat și observat o nouă fază a materiei, cunoscută sub numele de cristalul timpului.

Există un efort global uriaș pentru a proiecta un computer capabil să valorifice puterea fizicii cuantice pentru a efectua calcule de o complexitate fără precedent. În timp ce obstacole tehnologice formidabile încă stau în calea creării unui astfel de computer cuantic, prototipurile actuale pot încă realiza fapte impresionante.

De exemplu, crearea unei noi faze a materiei numită „cristalul timpului”. La fel cum structura unui cristal se repetă în spațiu, un cristal de timp se repetă în timp și, cel mai important, o face la infinit și fără nicio altă intrare de energie – ca un ceas care funcționează pentru totdeauna fără baterii. Urmărirea acestei etape a materiei a fost o provocare de lungă durată în teorie și experiment – ​​una care a dat în sfârșit roade.

Într-o cercetare publicată pe 30 noiembrie 2021 în jurnal temperare natura, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Stanford, Google Quantum Eye, Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe și Universitatea din Oxford au detaliat crearea unui cristal de timp folosind Google Sycamore Statistici cantitative hardware.

Cipul Google Sycamore folosit pentru a crea un cristal de timp. Credit: Google Quantum AI

a spus Matteo Ippoliti, cercetător postdoctoral la Universitatea Stanford și co-autor principal al lucrării. „În loc de calcul, am pus computerul să funcționeze ca o nouă platformă experimentală pentru a percepe și a descoperi noi faze ale materiei”.

Pentru echipă, entuziasmul realizărilor lor constă nu numai în crearea unei noi faze a materiei, ci și în deschiderea oportunităților de a explora noi sisteme în domeniul fizicii materiei condensate, care studiază fenomene și proprietăți noi generate de interacțiunile colective ale multor persoane. lucruri din sistem. (Astfel de interacțiuni pot fi mult mai bogate decât proprietățile organismelor individuale.)

„Cristalele de timp sunt un exemplu clar al unui nou tip de fază cuantică neechilibră a materiei”, a spus Vidika Khemani, profesor asistent de fizică la Universitatea Stanford și autorul principal al lucrării de cercetare. „În timp ce o mare parte din înțelegerea noastră a fizicii materiei condensate depinde de sistemele de echilibru, aceste noi dispozitive cuantice ne oferă o fereastră fascinantă către noi sisteme neechilibrate în fizica multicorpului.”

Ce timp de cristal și ce nu este

Ingredientele de bază pentru a face un cristal de data aceasta sunt următoarele: echivalentul fizic al unei muște de fructe și ceva care să-i dea un impuls. Drosophila în fizică este modelul Ising, un instrument de lungă durată pentru înțelegerea diferitelor fenomene fizice – inclusiv tranzițiile de fază și magnetismul – care constă dintr-o rețea în care ocupă fiecare poziție a particulei care poate fi în două stări, reprezentate ca o rotație în sus sau în jos.

În timpul anilor ei postuniversitari, Khimani a fost consilierul ei de doctorat, Shivaji Sundi, apoi în Universitatea Princeton, iar Achilleas Lazarides și Roderich Moessner de la Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe au dat fără să vrea această rețetă pentru a face cristale de timp. Ei studiau sistemele de neechilibru ale multor corpuri – sisteme în care particulele „se blochează” în starea în care au început și nu se pot relaxa niciodată în starea de echilibru. Au fost interesați să exploreze fazele care s-ar putea dezvolta în astfel de sisteme atunci când sunt „locuți” periodic de laser. Nu numai că au reușit să găsească faze stabile de neechilibru, ci au găsit una în care rotația particulei s-a răsturnat între modele care se repetă în timp pentru totdeauna, de două ori mai lungi decât comanda laserului, formând un cristal de timp.

O vedere a frigiderului Google Mitigation, care găzduiește o felie de sicomore. Credit: Google Quantum AI

Mișcarea periodică a laserului stabilește un ritm specific al dinamicii. În mod normal, „dansul” înfășurărilor ar trebui să coincidă cu acest ritm, dar, în același timp, cristalul nu este. În schimb, ciclurile se rotesc între două stări, completând ciclul doar după ce au fost lovite de laser de două ori. Aceasta înseamnă că Consistența timpului de compilare a sistemului este dezactivată. Simetriile joacă un rol fundamental în fizică și sunt adesea rupte – explicând originile cristalelor obișnuite, magneților și multor alte fenomene; Totuși, simetria translației în timp iese în evidență deoarece, spre deosebire de alte simetrii, nu poate fi ruptă în echilibru. Lovitura periodică este o lacună care face posibile cristalele de timp.

Dublarea perioadei de oscilație este neobișnuită, dar nu fără precedent. Oscilațiile cu viață lungă sunt, de asemenea, foarte frecvente în dinamica cuantică a câtorva sisteme de particule. Ceea ce face un cristal al timpului unic este că este un sistem de milioane de lucruri care prezintă acest tip de comportament coordonat fără să intre nicio energie. sau scurge.

„Este o fază complet robustă a materiei, în care nu deconectezi parametrii sau stările, dar sistemul tău este încă cuantic”, a spus Sundy, profesor de fizică la Oxford și coautor al lucrării de cercetare. „Nu există alimentare cu energie, nu există epuizare a energiei și continuă pentru totdeauna și implică multe particule foarte reactive”.

Deși acest lucru poate părea suspect de aproape de o „mașină cu mișcare perpetuă”, o privire mai atentă dezvăluie că cristalele de timp nu încalcă nicio lege fizică. Entropia – o măsură a dezordinei într-un sistem – rămâne constantă în timp, satisfăcând marginal a doua lege a termodinamicii prin nedescrescătoare.

Între dezvoltarea acestui plan pentru un cristal al timpului și experimentul cu computerul cuantic care l-a adus la viață, experimentele multor echipe diferite de cercetători au atins multe repere legate de cristal în acea perioadă. Cu toate acestea, furnizarea tuturor ingredientelor în rețeta de „localizare cu mai multe corpuri” (fenomenul care permite cristalizarea în timp infinit fix) a rămas o provocare majoră.

Pentru Khemani și colaboratorii ei, pasul final pentru a obține succesul Crystal a fost să lucreze cu o echipă de la Google Quantum AI. Împreună, acest grup a folosit hardware-ul de calcul cuantic Sycamore de la Google pentru a programa 20 de „rotiri” folosind versiunea cuantică a informațiilor unui computer clasic, cunoscut sub numele de qubiți.

Dezvăluind cât de mult interes este în prezent pentru cristalele de timp, cristalele au fost din nou instalate în Ştiinţă Luna aceasta. Acest cristal a fost creat folosind qubiți în interiorul diamantului de către cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie Delft din Țările de Jos.

Șanse cuantice

Cercetătorii au putut să-și confirme afirmația despre un cristal în timp real datorită capacităților speciale ale unui computer cuantic. Deși dimensiunea finită și timpul de coerență al dispozitivului cuantic (imperfect) au însemnat că experimentul lor a fost limitat în dimensiune și durată – astfel încât oscilațiile cristalelor pot fi observate doar pentru câteva sute de cicluri și nu la infinit – cercetătorii au conceput diferite protocoale pentru a evalua stabilitatea creării lor. Acestea au inclus rularea simulării înainte și înapoi în timp și extinderea acesteia.

„Am folosit cu succes ingeniozitatea unui computer cuantic pentru a ne ajuta să îi analizăm limitele”, a spus Moessner, coautor al lucrării de cercetare și director la Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe. „Practic, ne-a spus cum să-și corectăm propriile erori, astfel încât amprenta comportamentului perfect al unui cristal de timp să poată fi verificată prin observații în timp limitat.”

Principala semnătură a unui cristal de timp ideal este că prezintă oscilații nedeterminate ale toata lumea state. Verificarea acestei puteri în selectarea stărilor a fost o provocare experimentală majoră, iar cercetătorii au conceput un protocol pentru a examina mai mult de un milion de stări ale cristalelor de timp într-un singur ciclu al dispozitivului, necesitând doar câteva milisecunde de timp de rulare. Este ca și cum ai vedea un cristal fizic din mai multe unghiuri pentru a-i verifica structura care se repetă.

„Caracteristica unică a procesorului nostru cuantic este capacitatea sa de a crea stări cuantice extrem de complexe”, a spus Xiao Mei, cercetător Google și co-autor principal al lucrării de cercetare. „Aceste stări permit ca structurile de fază ale materialului să fie investigate eficient fără a fi nevoie să investigheze întregul spațiu de calcul – o sarcină altfel insolubilă”.

Crearea unei noi faze a materiei este, fără îndoială, incitantă la nivel fundamental. În plus, faptul că acești cercetători au reușit să facă acest lucru indică utilitatea tot mai mare a computerelor cuantice pentru alte aplicații decât cele de calcul. „Sunt optimist că, cu mai mulți qubits și mai buni, abordarea noastră ar putea deveni o metodă majoră în studierea dinamicii dezechilibrului”, a spus Pedram Roshan, cercetător Google și autor principal al lucrării.

„Credem că cea mai interesantă utilizare a computerelor cuantice în acest moment este ca platforme pentru fizica cuantică fundamentală”, a spus Ippoliti. „Cu capabilitățile unice ale acestor sisteme, există speranță că veți descoperi niște fenomene noi la care nu v-ați fi așteptat.”

Referință: „Eigenstate Time-Crystalline Ranking on a Quantum Processor” de Xiao Mi, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Ami Greene, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arute, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Joseph C. Bardin, 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 Morozkowiz , Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Thomas Yusin n. 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 noiembrie 2021 , temperare natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w

Lucrarea a fost condusă de Universitatea Stanford, Google Quantum AI, Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe și Universitatea din Oxford. Lista completă de autori este disponibilă la temperare natura hârtie.

Această cercetare a fost finanțată de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).Darpa), Google Research Award, Sloan Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation și Deutsche Forschungsgemeinschaft.