Кристалл времени: кто и где совершил открытие

кто и где совершил открытие

По мнению ученных «кристаллы времени» имеют большой потенциал, ведь их можно использовать, например, для улучшения работы спутниковой навигации. Впервые «кристаллы времени» были экспериментально продемонстрированы в 2017 году, а уже в 2021 году исследователи из «Google» заявили о том, что разместят внутри квантового компьютера «Google Sycamore» темпоральный кристалл. Благодаря которому, он сможет за считанные минуты решать задачи. Так что это всё-таки за «новшество»?

Василий Макаров

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек предположил существование нового типа кристалла. Хотя большинство кристаллов имеют структуру, повторяющуюся в двух или трех измерениях, Вильчек представил концепцию кристалла, структура которого воспроизводится четыре раза: три из них соответствуют измерениям пространства, а четвертое — измерению времени. Он назвал эту гипотетическую структуру «кристаллом времени», и лишь в 2018 году ученым удалось выяснить, как можно синтезировать их в лабораторных условиях.

Кристаллы времени – что, зачем и почему?

Кристаллы времени абсолютно новый вид состояния материи, при котором периодически меняется его структура без выделения или поглощения энергии.  Что удивительно в них, так это то, что, когда они перемещаются взад и вперед между двумя различными конфигурациями, они не теряют и не используют никакой энергии. Это не машина времени и не артефакт, речь идёт о физической теории, которая пока только разрабатывается. Формально при этом нарушается второй закон термодинамики и симметрия обращения времени.

Любой стандартный кристалл, который мы знаем, например такой как алмаз, изумруд или даже обычный кубик льда определяет то, что атомы кристалла каким-то образом расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга. Теория относительности утверждает, что существует три измерения пространства и четвертое измерение, время. Поэтому некоторые физики задались вопросом, могут ли атомы кристалла быть расположены во времени по повторяющимся закономерностям. Сама по себе идея является довольно новой. Её впервые выдвинул нобелевский лауреат, физик — Франк Вильчек в 2012 году.

Опубликованные исследования показали, что пресловутые кристаллы времени существуют не только как продукт лабораторной деятельности ученых. Оказалось, что подобные структуры могут формироваться и в естественной среде, при этом сам процесс намного проще, чем представляли себе специалисты. Для человечества это большая удача: кристаллы Вильчека могут быть использованы в практических целях, к примеру для создания сверхточных атомных часов, гироскопов нового поколения и других устройств.

Кристаллы времени проявляют весьма странную активность под воздействием электромагнитных волн. В таком кристалле все молекулы вращаются в определенном направлении, и с каждым новым ЭМ-импульсом оно изменяется. Но даже в том случае, если импульсы носят бессистемный характер, направление вращения все равно изменяется с регулярными интервалами, благодаря чему кристаллы времени могут использоваться как мера отсчета временных интервалов, то есть как универсальные часы.

Исследование темпорального кристалла

В 2016 году физикам из Университета Мэриленда удалось собрать «сырой» кристалл времени. Исследователи выяснили, как создать эти кристаллы в лаборатории с помощью довольно сложной методики, включающей в себя точечное воздействие лазеров на набор атомов иттербия.

Новая работа физиков из Йельского университета доказала, что синтезировать кристаллы времени легко. Теоретически, в некоторых структурах «юного химика» могут скрываться кристаллы Вильчека. Шон Баррет, автор исследования, отмечает, что физикам это только на руку, поскольку чем дешевле и проще процесс — тем легче его изучать. Теперь им предстоит во всех деталях разобраться в механизме синтеза» кристаллов времени» и определить, как именно их можно использовать на благо технологического прогресса.

Кристалл времени «Google» 2021

Всё же в 2021 году учёным удалось доказать возможность существования физических структур, ранее предсказанных только теоретически, совершив прорыв в фундаментальной физике. Они смогли получить так называемый «темпоральный кристалл» на базе 20-кубитового квантового компьютера «Sycamore Google», что может послужить более надёжному использованию квантовых компьютеров. Но это предварительное исследование, и ему еще предстоит пройти полную экспертную оценку.

Что же такого хорошего в этом исследовании? Почти все технологии далекого будущего, которые смогут способных существовать без сжигания топлива или использования энергии, потребуют систем квантовых вычислений. Сами по себе они довольно хрупкие, а помочь в этом может как раз «временной кристалл». Потенциально Google доказал, что люди могут производить кристаллы времени. В основном они считают, что доказали эту концепцию, так что теперь пришло время посмотреть, что с ней можно сделать.

Физики создали непрерывный временной кристалл

Немецкие и филиппинские физики сообщили о создании первого кристалла в непрерывном времени. В его основе лежит бозе-конденсат, накачиваемый равномерно усиливающимся лазерным светом в резонаторе. Ученые убедились, что их кристалл не только спонтанно нарушает симметрию относительно трансляций во времени, но и устойчив к шумам накачки. Исследование опубликовано в Science.

Если охлаждать дистиллированную воду до температур ниже нуля, то есть шанс, что она не замерзнет, а превратится в переохлажденную жидкость. Такая фаза жидкости относится к метастабильным, то есть условно устойчивым. В частности, ударная волна способна запустить в переохлажденной воде волну кристаллизации.

Так происходит из-за того, что метастабильное — это не самое энергетически выгодное состояние жидкости. Вместе с тем оно более симметрично, нежели кристаллическое. Действительно, в аморфном виде среда (точнее, законы, описывающие ее свойства) сохраняет инвариантность относительно поворотов на любой угол и трансляций на любые смещения. Кристаллы же переходят сами в себя только при смещении в пространстве на дискретное количество шагов, определяемых периодом решетки. Поскольку все выделенные направления равнозначны в переохлажденной жидкости без примесей, которые могли бы служить зародышами кристаллизации, никакое из них не служит притяжением для формирования решетки и среда балансирует в метастабильном состоянии. В таких условиях превращение в кристалл носит случайный характер и потому представляет собой ярчайший пример спонтанного нарушения симметрии.

В 2012 году Франк Вильчек описал гипотетические структуры, названные кристаллами времени, которые аналогичным образом кристаллизуются не в пространстве, а во времени. Их можно представить себе как систему, чье наинизшее энергетическое состояние обладает колебательной динамикой бесконечно долго. Важное свойство кристаллов времени — это то, что эти колебания вызванный устройством самой системы, а не внешним воздействием.

Временные кристаллы в том виде, как их представлял себе Вильчек, несовместны с законами термодинамики. Вместо этого физики расширили это понятие на системы, которые обладают нетипичным откликом на внешнее периодическое воздействие. Например, если мы будем периодически подталкивать механический маятник, его колебания будут происходить с той же частотой, даже если она отлична от собственной частоты маятника.

Кристаллы времени же отличаются тем, что под внешним воздействием какой-либо частоты в них развиваются собственные субгармонические (то есть происходящие на меньших частотах) процессы. При этом внешнее воздействие само нарушает непрерывную симметрию относительно смещения во времени, сокращая ее до симметрии относительно дискретных сдвигов, равных целому числу периодов. В такой картине временные кристаллы ломают и эту дискретную симметрию (симметрию в дискретном времени), в узком смысле реализуя идею Вильчека.

Кристаллы в дискретном времени (или просто дискретные кристаллы времени) физики впервые экспериментально получили в 2016 году и с тех пор активно изучают. Мы уже рассказывали, как периодичность в дискретном времени совместили с дискретностью в пространстве в форме пространственно-временного кристалла. Впрочем, физики до сих пор не бросили поиски истинно непрерывных временных кристаллов, обладающих какими-либо иными ограничениями по сравнению со структурами Вильчека.

Сегодня эти структуры описаны лишь теоретически. Любая реальная физическая система, претендующую на экспериментальную реализацию непрерывных временных кристаллов, должна обладать несколькими условиями. Главное из них — нарушение непрерывной симметрии времени должно быть истинно спонтанным. Другими словами, если в системе возникают колебания, их фаза относительного какого-либо опорного значения времени должна случайным образом меняться от запуска к запуску. Кроме того, это кристалл времени должен быть устойчивым к возмущениям технического или фундаментального характера.

Впервые удовлетворить оба этих требования смогли Ганс Кесслер (Hans Keßler) из Гамбурского университета с коллегами из Германии и Филиппин. Они помещали бозе-конденсат из атомов рубидия в оптический резонатор и накачивали его лазером увеличивающейся мощности. Благодаря сложному взаимодействию между оптическими силами накачки и самоорганизацией атомов в сверхизлучающую фазу, конденсат испытывал устойчивые осцилляции атомной плотности и количества фотонов в резонаторе, чья фаза имела случайный характер.

В основе кристалла времени, реализованного авторами, лежит идея предельных циклов — единственно возможных замкнутых траекторий в некоторой области фазового пространства системы, которые имеют устойчивый характер. Другими словами, система устроена таким образом, чтобы ее параметры со временем менялись периодически одинаковым образом даже для некоторого диапазона разных начальных условий. Переход от хаоса к предельному циклу представляет собой спонтанное нарушение симметрии. Для того чтобы эту систему можно было назвать непрерывным кристаллом времени, точка перехода в цикл должна быть случайной.

Роль такой системы в эксперименте физиков играл конденсат Бозе — Эйнштейна, состоящий в среднем из 50 тысяч атомов рубидия-87. Авторы помещали его в высокодобротный резонатор, число фотонов в котором они могли измерять. Перпендикулярно оси резонатора ученые накачивали конденсат лазером на длине волны 792,55 нанометров, что несколько меньше, чем длина волны, соответствующая переходу D₁ в рубидии и равная 794,98 нанометров.

Каждая экспериментальная последовательность помимо непосредственного создания конденсата начиналась с линейного увеличения интенсивности накачки до некоторого постоянного значения, которое физики поддерживали в течение 10 миллисекунд. Пока лазер был недостаточно интенсивным, конденсат оставался стабильным, а фотоны в резонаторе не появлялись. Начиная с некоторого момента излучение накачки вынуждало атомы конденсата упорядочиваться в сверхизлучающую фазу, сопровождаемую рождением резонаторных фотонов и стремлением атомов к пучностям волны накачки. Дальнейший рост интенсивности заставил атомную плотность перестроиться, поскольку для синей отстройки лазера от атомного резонанса оптические силы действуют в сторону минимума поля. В силу того, что резонаторные фотоны, выступающие в роли посредника между атомами, действуют с задержкой, в конденсате возникают медленно затухающие колебания плотности и атомов и числа резонаторных фотонов.

Физики подробно исследовали то, как это число зависит от времени для различных отстроек и конечных интенсивностей. Подвергая временную зависимость преобразованию Фурье, они измеряли частоту этих колебаний, флуктуирующую в окрестности десяти килогерц, а также фазу. Повторив опыт 1500 раз для фиксированных параметров, они убедились, что фаза колебаний равномерно распределяется в диапазоне от 0 до 2π, причем это происходит не из-за технической неидеальности установки, а исключительно вследствие квантовых флуктуаций. Ученые также исследовали то, как быстро начинает «плавиться» кристалл времени, если добавлять к накачке белый шум. Оказалось, что несколько периодов колебаний четко выражены даже в сильно зашумленном свете.

Кристаллы времени интересны не только сами по себе, но и в качестве физического инструмента. Недавно мы писали про то, как два таких взаимодействующих кристалла сымитировали кубит.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Что такое кристалл времени? — IEEE Spectrum

Впервые задуманный около десяти лет назад, кристалл времени представляет собой новый вид материи, который имеет сверхъестественное сходство с вечным двигателем. Его части теоретически могут двигаться в повторяющемся цикле, не потребляя энергии в течение вечности, подобно часам, которые вечно работают без каких-либо батареек.

Ученые годами стремились создать эту новую фазу материи. Теперь исследователи из Google Quantum AI и их коллеги сообщают, что они создали кристаллы времени, используя оборудование для квантовых вычислений Sycamore от Google. 0007 Природа .

В то время как классические компьютеры включают или выключают транзисторы, чтобы символизировать данные как единицы и нули, квантовые компьютеры используют квантовые биты, или кубиты, которые из-за природы квантовой механики могут существовать в состоянии суперпозиции, где они являются как 1, так и 0 одновременно. Связывая кубиты вместе с помощью квантового эффекта, известного как запутанность, квантовый компьютер на 300 кубитов теоретически может выполнять больше вычислений за мгновение, чем атомов в видимой Вселенной. В 2019 годуGoogle утверждал, что использовал Sycamore для демонстрации «квантового первенства», находя ответы на проблемы, которые не мог решить ни один классический компьютер.

В новом исследовании ученые использовали 20-кубитную систему не для вычислений, а для реализации кристаллов времени. Чтобы узнать больше, мы поговорили со штатным научным сотрудником Google Константином Кечеджи и старшим научным сотрудником Google Сяо Ми, которые провели большую часть теоретических и экспериментальных исследований соответственно. Беседа была отредактирована для большей длины и ясности.

IEEE Spectrum : Что такое кристалл времени?

Константин Кечеджи: Кристалл — это система многих атомов, которые благодаря взаимодействию организуются в периодическом порядке в пространстве. Кристалл времени — это квантовая система, состоящая из множества частиц, которые организованы в периодический паттерн движения — периодический во времени, а не в пространстве, — который сохраняется вечно.

Спектр: С чем бы вы могли сравнить кристаллы времени в природе?

Кечеджи: Постоянное периодическое движение очень знакомо в природе. Простейшим примером является система из двух массивных объектов, притягивающих друг друга под действием силы тяжести: два объекта движутся вокруг общего центра масс по строго периодическим орбитам. На первый взгляд это может показаться примером кристалла времени. Однако ключевой новизной кристалла времени является периодическое движение системы множества объектов, взаимодействующих друг с другом.

Система из множества взаимодействующих объектов демонстрирует совершенно другое поведение по сравнению с двумя массивными объектами, вращающимися вокруг друг друга — вместо повторяющихся паттернов движение постоянно меняется. Например, в Солнечной системе планеты следуют приблизительно периодическим траекториям, но истинное поведение планет хаотично, а это означает, что небольшое отклонение планеты от своего пути сегодня приведет к полностью измененной траектории с течением времени, хотя миллиарды годы.

Второй закон термодинамики постулирует, что системы многих взаимодействующих объектов имеют тенденцию к большему беспорядку, что противоречит строго периодическим движениям кристалла времени. Тем не менее, система многих взаимодействующих квантовых объектов может демонстрировать периодическое движение без нарушения второго закона термодинамики из-за фундаментально квантового явления, называемого локализацией многих тел.

Кристалл времени — это квантовая система множества частиц, которые организуют себя в виде периодического движения — периодического во времени, а не в пространстве — которое сохраняется вечно.

Спектр: Итак, в вашей новой работе вы создали многочастичный локализованный кристалл времени с периодическим приводом. Это кристалл времени, состоящий из множества частей, активность которых управляется приложенной извне циклической серией импульсов. И под локализацией вы имеете в виду, что физические законы действуют в определенном месте этого временного кристалла, помогая поддерживать его стабильность и не рассеивать энергию?

Кечеджи: Да. Ключевым свойством локализованной квантовой системы многих объектов является то, что достаточно слабый внешний импульс или сила, приложенная к любому из объектов, будет воздействовать на его соседей, но не будет ощущаться во всей системе. В этом смысле реакция системы локализована. Напротив, в хаотической системе небольшое возмущение ощущается во всей системе. Явление локализации препятствует поглощению энергии внешнего влечения.

Спектр: Насколько ваши кристаллы времени сравнимы с вечными двигателями?

Кечеджи: Кристаллы времени, наблюдаемые в нашем эксперименте, не поглощают чистую энергию импульсов, используемых для управления их поведением. Возможно, поэтому их часто сравнивают с вечными двигателями.

Однако ожидается, что вечный двигатель будет производить работу без источника энергии, что нарушит законы термодинамики. Напротив, движение кристалла времени не производит работы без источника энергии и, следовательно, не нарушает физических законов.

Спектр: Ваши кристаллы времени разрушаются со временем?

Кечеджи: Наш процессор не на 100% изолирован от окружающей среды, и эта слабая связь с окружающей средой вносит конечное «внешнее» время жизни кристалла времени. Другими словами, по прошествии достаточно длительного времени порядок теряется и периодическая картина больше не повторяется.

Спектр: Какое применение могут иметь кристаллы времени?

Кечеджи: Кристалл времени, подобно ферромагнетизму или сверхпроводимости, является примером спонтанного нарушения симметрии или спонтанного порядка. Например, ферромагнетик представляет собой систему гораздо меньших магнитов, все магнитные полюса которых направлены в одном направлении и в этом смысле упорядочены. Говорят, что в таком состоянии симметрия «самопроизвольно» нарушается, поскольку в нормальной материи все полюса указывают в случайных направлениях. Стабильные примеры спонтанного нарушения симметрии, такие как ферромагнетизм или исчезновение электрического сопротивления сверхпроводника, часто имеют большое технологическое значение.

Самопроизвольное нарушение симметрии связано с равновесием. Например, представьте себе жидкую воду, замерзающую в кристалл, если ее довести до стабильно низкой температуры. Замечательным свойством наблюдаемого нами кристалла времени является его спонтанный порядок, несмотря на то, что он выведен из равновесия. Это наблюдение открывает двери для идентификации других неравновесных состояний квантовой материи с новыми типами порядка.

«> Чип Google Sycamore. Google Квантовый ИИ

Спектр: Какие кристаллы времени оказалось трудно исследовать и почему?

Кечеджи: Проблема в том, что изоляция квантовой материи от окружающей среды никогда не бывает идеальной.

Спектр: Зачем использовать квантовый компьютер для создания кристаллов времени?

Сяо Ми: Квантовые компьютеры являются предпочтительной платформой для реализации кристаллов времени, поскольку они имеют точно откалиброванные квантовые логические элементы.

Спектр: Квантовый логический вентиль — это квантовая вычислительная версия логических вентилей, которые обычные компьютеры используют для выполнения вычислений?

Ми: Да. Квантовые логические вентили позволяют реализовать многочастичные взаимодействия, необходимые для существования кристаллов времени, с очень высокой точностью.

Все предыдущие исследования кристаллов времени проводились на так называемых квантовых симуляторах. Этим платформам не хватает точности квантовых компьютеров. В результате позже выяснилось, что многие из этих экспериментов были ошибочными из-за непреднамеренных взаимодействий.

Спектр: Что вы показали в своем новом исследовании?

Mi: Мы разработали квантовые схемы, которые имеют типы взаимодействий, которые теоретически должны привести к кристаллу времени. Затем мы собрали данные из этих квантовых цепей и использовали различные методы, чтобы убедиться, что наши данные согласуются с кристаллическим поведением во времени. Это включало три вещи:

1. Любой распад или «плавление» временного кристаллического порядка был вызван только внешней декогерентностью, а не внутренней динамикой нашей системы.
2. Сигнатура кристалла времени присутствовала независимо от начального состояния системы.
3. Мы могли бы определить границу фазы кристалла времени, то есть место, где он «расплавился».

Квантовые логические вентили позволяют реализовать многочастичные взаимодействия, необходимые для существования кристаллов времени, с очень высокой точностью.

Спектр: Что лично вы находите наиболее интересным в этих результатах?

Ми: Понимание поведения взаимодействующих частиц вблизи критической точки фазовых переходов — например, температуры плавления льда в воду — является давней проблемой в физике и до сих пор содержит множество нерешенных загадок для квантовых систем. Мы смогли охарактеризовать точку фазового перехода между временным кристаллом и квантовым хаотическим состоянием. Это очень перспективное направление для раннего применения квантовых процессоров в качестве инструмента для научных исследований, где системы скромных размеров из десятков или сотен кубитов уже могли предоставить новую экспериментальную информацию о природе фазовых переходов.

Спектр: Как кристаллы времени могут привести к улучшению квантовых компьютеров?

Mi: Наличие такого объекта, как кристалл времени, который устойчив к экспериментальным помехам, может помочь разработать долгоживущие квантовые состояния, что является важной задачей для будущего улучшения квантовых процессоров.

Спектр: Еще один кристалл времени был создан с использованием кубитов исследователями Делфтского технологического университета в Нидерландах. Как бы вы отличили свою работу от их?

Кечеджи: Делфтский эксперимент реализовал некоторые протоколы, изложенные в нашей более ранней теоретической работе, которые отличают многочастичные локализованные кристаллы времени от так называемых дотепловых кристаллов времени, наблюдаемых в последние годы. В то время как дотепловые кристаллы времени характеризуются конечным собственным временем жизни, многочастичные локализованные кристаллы времени характеризуются расходящимся, то есть бесконечно долгим собственным временем жизни.

Исключительная гибкость нашего процессора позволила нам продемонстрировать, что динамика кристалла времени сохраняется при различных системных параметрах. Одним из следствий этого является наше наблюдение фазового перехода между временным кристаллом и хаотическим поведением. Наличие фазового перехода предполагает, что кристалл времени представляет собой состояние материи, отличное от более распространенного хаотического состояния многих тел, включая дотепловые кристаллы времени.

Важно отметить, что протокол, который мы описываем в нашем новом исследовании, является масштабируемым — его можно легко применить к более крупному квантовому процессору. Это результат дальнейшего теоретического анализа, значительно улучшающего нашу предыдущую работу, на которой был основан Делфтский эксперимент. В будущем я могу увидеть повторение нашего эксперимента на все более и более крупных системах.

Спектр: Как вы думаете, в каких конкретных направлениях ваши исследования могут развиваться?

Кечеджи: Одна из наших целей — превратить наш процессор в научный инструмент для физики и химии. Ключевой задачей является снижение погрешности устройства. Это ключ к будущим приложениям квантовых процессоров и реализации отказоустойчивых квантовых вычислений. Его необходимо решать путем совершенствования аппаратного обеспечения, алгоритмических стратегий уменьшения ошибок и фундаментального понимания роли шума в квантовой динамике многих тел.

Кристалл времени в квантовом компьютере

Глобальные усилия направлены на разработку компьютера, способного использовать возможности квантовой физики для выполнения вычислений беспрецедентной сложности. Хотя огромные технологические препятствия все еще стоят на пути создания такого квантового компьютера, сегодняшние ранние прототипы все еще способны на замечательные подвиги.

Чип Google Sycamore, используемый для создания кристалла времени. (Изображение предоставлено Google Quantum AI)

Например, создание новой фазы материи, называемой «кристаллом времени». Подобно тому, как структура кристалла повторяется в пространстве, кристалл времени повторяется во времени и, что важно, делает это бесконечно и без каких-либо дополнительных затрат энергии — подобно часам, которые работают вечно без каких-либо батареек. Стремление понять эту фазу материи было давней задачей в теории и эксперименте, и теперь она наконец-то увенчалась успехом.

В исследовании, опубликованном 30 ноября в журнале Nature , группа ученых из Стэнфордского университета, Google Quantum AI, Института физики сложных систем им. Макса Планка и Оксфордского университета подробно описывает создание кристалла времени с использованием оборудования для квантовых вычислений Sycamore от Google. .

«Общая картина такова, что мы берем устройства, которые должны стать квантовыми компьютерами будущего, и думаем о них как о сложных квантовых системах, — сказал Маттео Ипполити, аспирант Стэнфордского университета и соавтор. ведущий автор работы. «Вместо вычислений мы используем компьютер в качестве новой экспериментальной платформы для понимания и обнаружения новых фаз материи».

Радость достижения команды заключается не только в создании новой фазы материи, но и в открытии возможностей для изучения новых режимов в области физики конденсированного состояния, изучающей новые явления и свойства, вызванные коллективным взаимодействия многих объектов в системе. (Такие взаимодействия могут быть намного богаче, чем свойства отдельных объектов.)

«Кристаллы времени — яркий пример нового типа неравновесной квантовой фазы материи», — сказала Ведика Хемани, доцент кафедры физики Стэнфорда и старший автор статьи. «Хотя большая часть нашего понимания физики конденсированного состояния основана на равновесных системах, эти новые квантовые устройства открывают нам захватывающее окно в новые неравновесные режимы в физике многих тел».

Чем является кристалл времени, а чем он не является

Основные ингредиенты для изготовления этого кристалла времени: Физический эквивалент плодовой мушки и что-то, что ее пинает. Плодовая мушка физики — это модель Изинга, давний инструмент для понимания различных физических явлений, включая фазовые переходы и магнетизм, который состоит из решетки, в которой каждый узел занят частицей, которая может находиться в двух состояниях, представленных как спин вверх. или вниз.

Во время учебы в аспирантуре Кхемани, ее научный руководитель Шиваджи Сонди, тогда работавший в Принстонском университете, а также Ахиллеас Лазаридес и Родерих Месснер из Института физики сложных систем им. Макса Планка случайно наткнулись на этот рецепт изготовления кристаллов времени. Они изучали неравновесные многочастичные локализованные системы — системы, в которых частицы «застревают» в том состоянии, в котором они были изначально, и никогда не могут релаксировать в равновесное состояние. Их интересовало изучение фаз, которые могут развиваться в таких системах, когда их периодически «пинают» лазером. Мало того, что им удалось найти стабильные неравновесные фазы, они обнаружили такую, в которой спины частиц переключаются между шаблонами, которые повторяются во времени вечно, с периодом, в два раза превышающим период возбуждения лазера, таким образом создавая кристалл времени.

Периодические удары лазера задают особый ритм динамике. Обычно «танец» вращений должен синхронизироваться с этим ритмом, но в кристалле времени это не так. Вместо этого спины переключаются между двумя состояниями, завершая цикл только после двойного удара лазером . Это означает, что «симметрия перевода времени» системы нарушена. Симметрии играют фундаментальную роль в физике, и они часто нарушаются, что объясняет происхождение правильных кристаллов, магнитов и многих других явлений; однако симметрия переноса времени выделяется, потому что, в отличие от других симметрий, она не может быть нарушена в состоянии равновесия. Периодический пинок — это лазейка, которая делает возможными кристаллы времени.

Удвоение периода колебаний необычно, но не беспрецедентно. И долгоживущие осцилляции также очень распространены в квантовой динамике малочастичных систем. Что делает кристалл времени уникальным, так это то, что это система из миллионов вещей, которые демонстрируют такое согласованное поведение без какой-либо утечки энергии в или .

«Это полностью надежная фаза материи, где вы не настраиваете параметры или состояния, но ваша система по-прежнему остается квантовой», — сказал Сондхи, профессор физики в Оксфорде и соавтор статьи. «Нет притока энергии, нет оттока энергии, и это продолжается вечно, и в нем участвует множество сильно взаимодействующих частиц».

Хотя это может показаться подозрительно похожим на «вечный двигатель», при ближайшем рассмотрении выясняется, что кристаллы времени не нарушают никаких законов физики. Энтропия — мера беспорядка в системе — остается неизменной с течением времени, незначительно удовлетворяя второму закону термодинамики, не уменьшаясь.

Между разработкой этого плана для кристалла времени и экспериментом с квантовым компьютером, который воплотил его в жизнь, многие эксперименты разных групп исследователей достигли различных вех почти кристалла времени. Однако обеспечение всех ингредиентов рецепта «локализации многих тел» (явление, которое делает возможным существование бесконечно стабильного кристалла времени) оставалось нерешенной задачей.

Для Кхемани и ее сотрудников последним шагом к успеху кристалла времени стала работа с командой Google Quantum AI. Вместе эта группа использовала квантовое вычислительное оборудование Google Sycamore для программирования 20 «вращений» с использованием квантовой версии битов информации классического компьютера, известных как кубиты.

В этом месяце в журнале Science был опубликован еще один кристалл времени, демонстрирующий, насколько высок интерес к кристаллам времени. Этот кристалл был создан с использованием кубитов внутри алмаза исследователями Делфтского технологического университета в Нидерландах.

Квантовые возможности

Исследователи смогли подтвердить свое заявление об истинном кристалле времени благодаря особым возможностям квантового компьютера. Хотя конечный размер и время когерентности (несовершенного) квантового устройства означали, что их эксперимент был ограничен по размеру и продолжительности — так что колебания временного кристалла можно было наблюдать только в течение нескольких сотен циклов, а не бесконечно — исследователи разработали различные протоколы для оценивая устойчивость их создания. К ним относятся запуск симуляции вперед и назад во времени и масштабирование ее размера.

Холодильник растворов Google, в котором хранится чип Sycamore. (Изображение предоставлено Google Quantum AI). Системы. «По сути, он сказал нам, как исправить свои собственные ошибки, чтобы можно было установить отпечаток идеального кристаллического во времени поведения из наблюдений за конечное время».

Ключевым признаком идеального кристалла времени является то, что он показывает бесконечные колебания от до всех состояний. Проверка этой устойчивости к выбору состояний была ключевой экспериментальной задачей, и исследователи разработали протокол для проверки более миллиона состояний их кристалла времени всего за один запуск машины, требующий 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 Ми, исследователь Google и соавтор статьи. «Эти состояния позволяют эффективно проверять фазовые структуры материи без необходимости исследовать все вычислительное пространство — иначе неразрешимая задача».

Создание новой фазы материи, несомненно, увлекательно на фундаментальном уровне. Кроме того, тот факт, что эти исследователи смогли это сделать, указывает на растущую полезность квантовых компьютеров для приложений, отличных от вычислений. «Я с оптимизмом смотрю на то, что с большим количеством лучших кубитов наш подход может стать основным методом изучения неравновесной динамики», — сказал Педрам Рушан, исследователь Google и старший автор статьи.

«Мы думаем, что самое интересное использование квантовых компьютеров сейчас — это платформы для фундаментальной квантовой физики», — сказал Ипполити. «Благодаря уникальным возможностям этих систем есть надежда, что вы сможете обнаружить какое-то новое явление, которое вы не предсказывали».

Эту работу возглавили Стэнфордский университет, Google Quantum AI, Институт физики сложных систем им. Макса Планка и Оксфордский университет. Полный список авторов доступен в статье Nature .

Это исследование финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), премией Google Research Award, Фондом Слоуна, Фондом Гордона и Бетти Мур и Немецким исследовательским обществом.