Το Stanford και η Google συνεργάζονται για να δημιουργήσουν κρυστάλλους χρόνου χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές

Μια ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένων ερευνητών από το Στάνφορντ και την Google, δημιούργησαν και παρατήρησαν μια νέα φάση της ύλης, γνωστή ως κρύσταλλος χρόνου.

Υπάρχει μια τεράστια παγκόσμια προσπάθεια να κατασκευαστεί ένας υπολογιστής ικανός να εκμεταλλευτεί τη δύναμη της κβαντικής φυσικής για να εκτελέσει υπολογισμούς άνευ προηγουμένου πολυπλοκότητας. Ενώ τα τρομερά τεχνολογικά εμπόδια εξακολουθούν να στέκονται εμπόδιο στη δημιουργία ενός τέτοιου κβαντικού υπολογιστή, τα τρέχοντα πρωτότυπα μπορούν ακόμα να επιτύχουν εντυπωσιακά επιτεύγματα.

Για παράδειγμα, η δημιουργία μιας νέας φάσης ύλης που ονομάζεται «κρύσταλλος χρόνου». Ακριβώς όπως η δομή ενός κρυστάλλου επαναλαμβάνεται στο χώρο, ένας κρύσταλλος χρόνου επαναλαμβάνεται στο χρόνο, και το πιο σημαντικό το κάνει άπειρα και χωρίς καμία άλλη εισαγωγή ενέργειας – όπως ένα ρολόι που λειτουργεί για πάντα χωρίς μπαταρίες. Η επιδίωξη αυτού του σταδίου της ύλης ήταν μια μακροχρόνια πρόκληση στη θεωρία και το πείραμα – μια πρόκληση που τελικά απέδωσε.

Σε μια έρευνα που δημοσιεύτηκε στις 30 Νοεμβρίου 2021 στο περιοδικό ιδιοσυγκρασία φύση, μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, το Google Quantum Eye, το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για τη Φυσική των Μιγαδικών Συστημάτων και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης περιέγραψε λεπτομερώς τη δημιουργία ενός κρυστάλλου χρόνου χρησιμοποιώντας το Google Sycamore Ποσοτική Στατιστική σκεύη, εξαρτήματα.

Το τσιπ Google Sycamore χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός κρυστάλλου χρόνου. Πίστωση: Google Quantum AI

είπε ο Matteo Ippoliti, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και συν-επικεφαλής του έργου. «Αντί για υπολογισμούς, θέσαμε τον υπολογιστή να λειτουργήσει ως μια νέα πειραματική πλατφόρμα για την αντίληψη και την ανακάλυψη νέων φάσεων της ύλης».

Για την ομάδα, ο ενθουσιασμός των επιτευγμάτων τους δεν έγκειται μόνο στη δημιουργία μιας νέας φάσης της ύλης, αλλά στο άνοιγμα ευκαιριών για εξερεύνηση νέων συστημάτων στον τομέα της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης, που μελετά νέα φαινόμενα και ιδιότητες που προκαλούνται από τις συλλογικές αλληλεπιδράσεις πολλών πράγματα στο σύστημα. (Τέτοιες αλληλεπιδράσεις μπορεί να είναι πολύ πιο πλούσιες από τις ιδιότητες μεμονωμένων οργανισμών.)

«Οι κρύσταλλοι του χρόνου είναι ένα έντονο παράδειγμα ενός νέου τύπου κβαντικής φάσης της ύλης χωρίς ισορροπία», δήλωσε η Vidika Khemani, επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και επικεφαλής συγγραφέας της ερευνητικής εργασίας. «Ενώ μεγάλο μέρος της κατανόησής μας για τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης εξαρτάται από τα συστήματα ισορροπίας, αυτές οι νέες κβαντικές συσκευές μας παρέχουν ένα συναρπαστικό παράθυρο σε νέα συστήματα μη ισορροπίας στη φυσική πολλών σωμάτων».

Τι κρυστάλλινος χρόνος και τι όχι

Τα βασικά συστατικά για την κατασκευή ενός κρυστάλλου αυτή τη φορά είναι τα εξής: το φυσικό ισοδύναμο μιας μύγας φρούτων και κάτι που θα του δώσει ώθηση. Το Drosophila στη Φυσική είναι το μοντέλο Ising, ένα μακροχρόνιο εργαλείο για την κατανόηση διαφόρων φυσικών φαινομένων – συμπεριλαμβανομένων των μεταπτώσεων φάσης και του μαγνητισμού – το οποίο αποτελείται από ένα πλέγμα όπου κάθε θέση σωματιδίου καταλαμβάνει που μπορεί να είναι σε δύο καταστάσεις, που αντιπροσωπεύεται ως περιστροφή προς τα πάνω ή προς τα κάτω.

Κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών της χρόνων, η Khimani ήταν ο διδακτορικός της σύμβουλος, Shivaji Sundi, στη συνέχεια πανεπιστήμιο Πρίνσετον, και ο Αχιλλέας Λαζαρίδης και ο Roderich Moessner του Ινστιτούτου Max Planck για τη Φυσική των Μιγαδικών Συστημάτων σκόνταψαν άθελά τους πάνω σε αυτή τη συνταγή για την κατασκευή κρυστάλλων χρόνου. Μελετούσαν συστήματα μη ισορροπίας πολλών σωμάτων – συστήματα όπου τα σωματίδια «κολλάνε» στην κατάσταση στην οποία ξεκίνησαν και δεν μπορούν ποτέ να χαλαρώσουν στην κατάσταση ισορροπίας. Τους ενδιέφερε να εξερευνήσουν τις φάσεις που θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε τέτοια συστήματα όταν «κλοτσώνται» περιοδικά από το λέιζερ. Όχι μόνο μπόρεσαν να βρουν σταθερές φάσεις μη ισορροπίας, αλλά βρήκαν μια όπου το σπιν του σωματιδίου ανατράπηκε μεταξύ μοτίβων που επαναλαμβάνονται με την πάροδο του χρόνου για πάντα, δύο φορές περισσότερο από την εντολή του λέιζερ, δημιουργώντας έναν κρύσταλλο χρόνου.

Άποψη του Ψυγείου Μετριασμού της Google, το οποίο περιλαμβάνει μια φέτα πλάτανου. Πίστωση: Google Quantum AI

Η περιοδική κίνηση του λέιζερ θέτει έναν συγκεκριμένο ρυθμό της δυναμικής. Κανονικά ο «χορός» των περιελίξεων θα έπρεπε να συμπίπτει με αυτόν τον ρυθμό, αλλά ταυτόχρονα το κρύσταλλο δεν είναι. Αντίθετα, οι κύκλοι περιστρέφονται μεταξύ δύο καταστάσεων, ολοκληρώνοντας τον κύκλο μόνο αφού κλωτσηθούν από το λέιζερ εις διπλούν. Αυτό σημαίνει ότι η συνοχή χρόνου μεταγλώττισης του συστήματος είναι απενεργοποιημένη. Οι συμμετρίες παίζουν θεμελιώδη ρόλο στη φυσική και συχνά σπάνε – εξηγώντας την προέλευση των συνηθισμένων κρυστάλλων, των μαγνητών και πολλών άλλων φαινομένων. Ωστόσο, η συμμετρία της χρονικής μετάφρασης ξεχωρίζει επειδή, σε αντίθεση με άλλες συμμετρίες, δεν μπορεί να σπάσει σε ισορροπία. Το περιοδικό λάκτισμα είναι ένα κενό που κάνει δυνατούς κρυστάλλους χρόνου.

Ο διπλασιασμός της περιόδου ταλάντωσης είναι ασυνήθιστος, αλλά όχι πρωτοφανής. Οι μακρόβιες ταλαντώσεις είναι επίσης πολύ συχνές στην κβαντική δυναμική λίγων σωματιδιακών συστημάτων. Αυτό που κάνει έναν κρύσταλλο χρόνου μοναδικό είναι ότι είναι ένα σύστημα εκατομμυρίων πραγμάτων που εμφανίζουν αυτό το είδος συντονισμένης συμπεριφοράς χωρίς να μπαίνει καθόλου ενέργεια. ή φανερώνω.

«Είναι μια εντελώς εύρωστη φάση της ύλης, όπου δεν ρυθμίζετε παραμέτρους ή καταστάσεις, αλλά το σύστημά σας εξακολουθεί να είναι κβαντικό», δήλωσε ο Sundy, καθηγητής φυσικής στην Οξφόρδη και συν-συγγραφέας της ερευνητικής εργασίας. «Δεν υπάρχει τροφοδοσία ενέργειας, δεν υπάρχει εξάντληση ενέργειας και συνεχίζεται για πάντα και περιλαμβάνει πολλά σωματίδια υψηλής αντίδρασης».

Αν και αυτό μπορεί να φαίνεται ύποπτα κοντά σε μια «μηχανή αέναης κίνησης», μια πιο προσεκτική ματιά αποκαλύπτει ότι οι κρύσταλλοι χρόνου δεν παραβιάζουν κανέναν φυσικό νόμο. Η εντροπία – ένα μέτρο της αταξίας σε ένα σύστημα – παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου, ικανοποιώντας οριακά τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής μέσω της μη φθίνουσας.

Μεταξύ της ανάπτυξης αυτού του σχεδίου για έναν κρύσταλλο χρόνου και του πειράματος του κβαντικού υπολογιστή που το έφερε στη ζωή, πολλά πειράματα από πολλές διαφορετικές ομάδες ερευνητών έχουν επιτύχει πολλά ορόσημα κρυστάλλου χονδρικά στο χρόνο. Ωστόσο, η παροχή όλων των συστατικών στη συνταγή «εντοπισμός πολλών σωμάτων» (το φαινόμενο που επιτρέπει την απείρως σταθερή κρυστάλλωση του χρόνου) παρέμεινε μια μεγάλη πρόκληση.

Για την Khemani και τους συνεργάτες της, το τελευταίο βήμα για την επιτυχία της Crystal ήταν η συνεργασία με μια ομάδα στο Google Quantum AI. Μαζί, αυτή η ομάδα χρησιμοποίησε το υλικό κβαντικών υπολογιστών Sycamore της Google για να προγραμματίσει 20 «περιστροφές» χρησιμοποιώντας την κβαντική έκδοση των τμημάτων πληροφοριών ενός κλασικού υπολογιστή, γνωστά ως qubits.

Αποκαλύπτοντας πόσο μεγάλο ενδιαφέρον είναι επί του παρόντος οι κρύσταλλοι χρόνου, οι κρύσταλλοι αναπτύχθηκαν για άλλη μια φορά στο Επιστήμη Αυτο το μηνα. Αυτός ο κρύσταλλος δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας qubits μέσα στο διαμάντι από ερευνητές στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία.

Κβαντικές πιθανότητες

Οι ερευνητές μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν τον ισχυρισμό τους για κρύσταλλο σε πραγματικό χρόνο χάρη στις ειδικές δυνατότητες ενός κβαντικού υπολογιστή. Αν και το πεπερασμένο μέγεθος και ο χρόνος συνοχής της (ατελούς) κβαντικής συσκευής σήμαινε ότι το πείραμά τους ήταν περιορισμένο σε μέγεθος και διάρκεια – έτσι ώστε οι κρυσταλλικές ταλαντώσεις να μπορούν να παρατηρηθούν μόνο για μερικές εκατοντάδες κύκλους και όχι επ ‘αόριστον – οι ερευνητές επινόησαν διαφορετικά πρωτόκολλα για να αξιολογήσουν την σταθερότητα της δημιουργίας τους. Αυτά περιελάμβαναν την εκτέλεση της προσομοίωσης προς τα εμπρός και προς τα πίσω στο χρόνο και την κλιμάκωσή της.

«Μπορέσαμε να χρησιμοποιήσουμε την εφευρετικότητα ενός κβαντικού υπολογιστή για να μας βοηθήσει να αναλύσουμε τα όριά του», δήλωσε ο Moessner, συν-συγγραφέας της ερευνητικής εργασίας και διευθυντής στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική των Μιγαδικών Συστημάτων. «Βασικά μας είπε πώς να διορθώσουμε τα δικά του λάθη, έτσι ώστε το δακτυλικό αποτύπωμα της τέλειας συμπεριφοράς ενός κρυστάλλου χρόνου να μπορεί να επαληθευτεί μέσω περιορισμένων χρονικών παρατηρήσεων».

Η κύρια υπογραφή ενός ιδανικού κρυστάλλου χρόνου είναι ότι παρουσιάζει απροσδιόριστες ταλαντώσεις Ολοι κράτη. Η επαλήθευση αυτής της ισχύος στην επιλογή καταστάσεων ήταν μια μεγάλη πειραματική πρόκληση και οι ερευνητές έχουν επινοήσει ένα πρωτόκολλο για να εξετάσουν περισσότερες από ένα εκατομμύριο καταστάσεις κρυστάλλων χρόνου σε έναν μόνο κύκλο της συσκευής, που απαιτούν μόνο χιλιοστά του δευτερολέπτου χρόνου εκτέλεσης. Αυτό είναι σαν να παρακολουθείς έναν φυσικό κρύσταλλο από πολλές γωνίες για να ελέγξεις την επαναλαμβανόμενη δομή του.

«Το μοναδικό χαρακτηριστικό του κβαντικού μας επεξεργαστή είναι η ικανότητά του να δημιουργεί εξαιρετικά πολύπλοκες κβαντικές καταστάσεις», δήλωσε ο Xiao Mei, ερευνητής της Google και συν-επικεφαλής της ερευνητικής εργασίας. “Αυτές οι καταστάσεις επιτρέπουν στις δομές φάσης του υλικού να διερευνηθούν αποτελεσματικά χωρίς να χρειάζεται να διερευνηθεί ολόκληρος ο υπολογιστικός χώρος – μια κατά τα άλλα δυσεπίλυτη εργασία.”

Η δημιουργία μιας νέας φάσης της ύλης είναι αναμφίβολα συναρπαστική σε θεμελιώδες επίπεδο. Επιπλέον, το γεγονός ότι αυτοί οι ερευνητές μπόρεσαν να το κάνουν αυτό δείχνει την αυξανόμενη χρησιμότητα των κβαντικών υπολογιστών για άλλες εφαρμογές εκτός από τους υπολογιστές. «Είμαι αισιόδοξος ότι με περισσότερα και καλύτερα qubits, η προσέγγισή μας θα μπορούσε να γίνει μια σημαντική μέθοδος για τη μελέτη της δυναμικής ανισορροπίας», δήλωσε ο Pedram Roshan, ερευνητής της Google και ανώτερος συγγραφέας της εργασίας.

«Πιστεύουμε ότι η πιο συναρπαστική χρήση των κβαντικών υπολογιστών αυτή τη στιγμή είναι ως πλατφόρμες για βασική κβαντική φυσική», είπε ο Ippoliti. «Με τις μοναδικές δυνατότητες αυτών των συστημάτων, υπάρχει ελπίδα ότι θα ανακαλύψετε κάποια νέα φαινόμενα που δεν θα περιμένατε».

Παραπομπή: «Eigenstate Time-Crystalline Ranking on a Quantum Processor» από τους 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, Wojkowice , Όφερ Νάαμαν, Μάθιου Νίλι, Τσαρλς Νιλ, Μάικλ Νιούμαν, Μέρφι Τόμας Γιουσίν στο γένος O’Brien, Άλεξ Όμπριμσακ, Έρικ Όστμπι, Μπαλίντ Πάτο, Αντρέι Πετούχοφ, Νίκολας Κ. Ρούμπιν, Ντάνιελ Σανκ, Κέβιν Τζ. Σάτζινγκερ, Βλαντιμίρ Σβαρτς, Γιουάν Su, Doug Strin, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jimmy Yao, Bing Yeh, Guo-Huan Yu, Adam Zelkman, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Migrant, Julian Kelly, Yu Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Constantin Kishidze, Fedramica Khoshani, 30 Νοεμβρίου 20 ιδιοσυγκρασία φύση.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w

Επικεφαλής της εργασίας ήταν το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, η Google Quantum AI, το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για τη Φυσική των Μιγαδικών Συστημάτων και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Η πλήρης λίστα συγγραφέων είναι διαθέσιμη στη διεύθυνση ιδιοσυγκρασία φύση χαρτί.

Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από τον Οργανισμό Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας (DARPA).Ντάρπα), το Google Research Award, το Sloan Foundation, το Gordon and Betty Moore Foundation και το Deutsche Forschungsgemeinschaft.