Исследователи создали новую фазу материи — кристалл времени.

В мире предпринимаются огромные усилия по созданию компьютера, способного использовать возможности квантовой физики, и это связано с огромными техническими препятствиями.

Но недавние прототипы квантовых компьютеров демонстрируют замечательные подвиги в создании квантового компьютера, который сможет выполнять вычисления беспрецедентной сложности, используя возможности квантовой физики.

Кристалл времени, новая фаза материи, повторяющаяся во времени. Он делает это бесконечно без каких-либо дополнительных затрат энергии. Как часы, которые вечно работают без батареек.

Поиски этой фазы материи наконец-то принесли плоды.

В статье, опубликованной 30 ноября в журнале Nature, группа ученых из Стэнфордского университета, Google Quantum AI, Института физики сложных систем Макса Планка и Оксфордского университета подробно описывает создание временного кристалла с использованием аппаратного обеспечения квантовых вычислений Google Sycamore. .

«В целом картина такова, что мы берем устройства, которые должны стать квантовыми компьютерами будущего, и думаем о них как о сложных квантовых системах сами по себе», сказал Маттео Ипполитти, ученый-постдокторант Стэнфордского университета и соавтор работы. «Вместо вычислений мы используем компьютер как новую экспериментальную платформу для восприятия и открытия новых фаз материи».

«Кристаллы времени — яркий пример нового типа неуравновешенной квантовой фазы материи», — сказала Ведика Хемани, доцент кафедры физики Стэнфордского университета и автор исследования. «Хотя большая часть нашего понимания физики конденсированного состояния зависит от равновесных систем, эти новые квантовые устройства открывают нам захватывающее окно в новые неравновесные системы в физике множественных тел».

Основные ингредиенты для изготовления кристалла на этот раз следующие: физический эквивалент плодовой мухи и что-то, что придаст ей импульс. Drosophila Physics — это модель Изинга, давний инструмент для понимания различных физических явлений, включая фазовые переходы и магнетизм, который состоит из решетки, в которой каждая позиция частицы занимает два состояния, которые представлены как вращение вверх или вниз.

«Это совершенно надежная фаза материи, где вы не настраиваете параметры или состояния, но ваша система по-прежнему количественная», сказал Санди, профессор физики в Оксфорде и соавтор статьи. «Нет подпитки энергии, нет утечки энергии, она длится вечно и включает в себя множество высокореактивных частиц».

Хотя это может показаться подозрительно близким к «вечному двигателю», более пристальный взгляд показывает, что кристаллы времени не нарушают никаких физических законов.

Энтропия — мера беспорядка в системе — остается постоянной во времени, незначительно удовлетворяя второму закону термодинамики за счет неубывания.

Между разработкой этого плана для временного кристалла и экспериментом на квантовом компьютере, который воплотил его в жизнь, эксперименты многих разных исследователей достигли многих кристаллических вех примерно за одно и то же время. Тем не менее, обеспечение всех ингредиентов рецепта «множественной локализации» (феномена, допускающего бесконечно фиксированное время кристаллизации) оставалось серьезной проблемой.

Для Хемани и ее сотрудников последним шагом к успеху Crystal была работа с командой Google Quantum AI. Вместе эта группа использовала оборудование для квантовых вычислений Sycamore от Google, чтобы запрограммировать 20 «спинов», используя квантовую версию фрагментов информации классического компьютера, известных как кубиты.

Показывая, насколько велик интерес к кристаллам времени, они были снова опубликованы в журнале Science в этом месяце. Исследователи из Делфтского технологического университета в Нидерландах создали кристалл, используя кубиты внутри алмаза.

«Мы смогли использовать универсальность квантового компьютера, чтобы помочь нам проанализировать его собственные ограничения», — сказал Месснер, соавтор статьи и директор Института физики сложных систем им. Макса Планка. «По сути, он сказал нам, как исправить свои собственные ошибки, чтобы отпечаток идеального поведения кристалла времени можно было проверить с помощью наблюдений за ограниченное время».

Главный признак идеального кристалла времени — это то, что он демонстрирует неспецифические колебания всех состояний. Проверка этой способности при выборе состояний была серьезной эмпирической проблемой. Исследователи разработали протокол для изучения более миллиона экземпляров кристаллов времени всего за один цикл работы машины, требуя всего лишь миллисекунд времени выполнения. Это похоже на просмотр физического кристалла под разными углами, чтобы проверить его повторяющуюся структуру.

«Уникальной особенностью нашего квантового процессора является его способность создавать очень сложные квантовые состояния», сказал Сяо Мэй, исследователь в браузер гугл и соавтор статьи. «Эти состояния позволяют эффективно исследовать фазовые структуры материала без необходимости исследовать все вычислительное пространство — в противном случае трудноразрешимая задача».

Создание новой фазы материи, несомненно, увлекательно на фундаментальном уровне. Кроме того, тот факт, что этим исследователям удалось это сделать, указывает на растущее использование Квантовые компьютеры Для приложений, отличных от вычислений.

«Я оптимистично настроен, что с увеличением количества кубитов лучшего качества наш подход может стать основным методом изучения динамики дисбаланса», — сказал он. — сказал Педрам Рошан, исследователь Google и старший автор статьи.

«Мы думаем, что наиболее захватывающее использование квантовых компьютеров на данный момент — это платформы для фундаментальной квантовой физики», — сказала Ипполити. «Благодаря уникальным возможностям этих систем есть надежда, что вы откроете для себя некоторые новые явления, о которых вы даже не ожидали».

ссылка на журнал

1. Mei, X, Ippolite, M, Quintana, C et al. Схема кристаллизации по собственному времени на квантовом процессоре. Природа (2021 г.). DOI: 10.1038 / с41586-021-04257-в