Wykorzystanie nowych architektur obliczeń kwantowych do tworzenia kryształów czasu

Fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley Norman Yao po raz pierwszy opisał pięć lat temu, jak zrobić kryształ czasu — nową formę materii, której wzory powtarzają się w czasie, a nie w przestrzeni. W przeciwieństwie do kryształów szmaragdu lub szafiru, te kryształy czasu istniały tylko przez ułamek sekundy.

Ale czas na kryształy czasu. Od czasu pierwotnej sugestii Yao, nowe pomysły doprowadziły do ​​odkrycia, że ​​kryształy czasu przybierają różne kształty, z których każdy ustala swój własny mechanizm.

Korzystając z nowych architektur obliczeń kwantowych, wiele laboratoriów zbliżyło się do stworzenia lokalnej, wielobryłowej wersji kryształu czasu, która wykorzystuje perturbacje do utrzymywania okresowo napędzanych kubitów kwantowych w ciągłym stanie wibracji subharmonicznej — kubity oscylują, ale tylko w okresie prowadzenia pojazdu.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nauki ścisłe W zeszłym tygodniu Yao i koledzy z QuTech – współpracy między Delft University of Technology i TNO, niezależną grupą badawczą w Holandii – donieśli o stworzeniu dyskretnego, wieloobiektowego kryształu czasu, który trwał około ośmiu sekund, co odpowiada 800 oscylacji. okresy. Wykorzystali komputer kwantowy oparty na diamentach, w którym kubity – bity kwantowe, odpowiedniki binarnych kubitów w komputerach cyfrowych – są spinami jądrowymi atomów węgla-13 osadzonych w diamencie.

„Podczas gdy całkowicie odizolowany kryształ czasu mógłby w zasadzie żyć wiecznie, każda prawdziwa aplikacja eksperymentalna byłaby degradowana przez interakcje ze środowiskiem” — powiedział Joe Randall z QuTech. „Przedłużanie życia to kolejna granica”.

Wyniki, opublikowane po raz pierwszy tego lata na arXiv, zostały powtórzone w niemal synchronicznym eksperymencie przez naukowców z Google, Stanford i Princeton, przy użyciu nadprzewodzącego komputera kwantowego firmy Google, Sycamore. Ten wyświetlacz wykorzystywał 20 kubitów wykonanych z nadprzewodzącej folii aluminiowej i trwał około ośmiu dziesiątych sekundy. Kryształy czasu Google i QuTech są określane jako fazy materii Floquet i są rodzajem materiału nierównowagowego.

„To bardzo ekscytujące, że jednocześnie dokonuje się wiele eksperymentalnych przełomów”, mówi Tim Taminiau, główny badacz w QuTech. „Wszystkie te różne platformy uzupełniają się nawzajem. Eksperyment Google wykorzystuje dwa razy więcej kubitów; nasz kryształ wieku żyje około 10 razy dłużej”.

Zespół Qutech zmanipulował dziewięć kubitów węgla-13 we właściwy sposób, aby spełnić kryteria tworzenia lokalnego wieloobiektowego kryształu czasu.

„Kryształ czasu jest prawdopodobnie najprostszym przykładem stanu nierównowagi materii” – powiedział Yao, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „System QuTech doskonale nadaje się do badania innych zjawisk niezrównoważonych, w tym na przykład faz topologicznych Floquet”.

Odkrycia te pojawiły się tuż po obserwacjach kryształów w innym czasie, w tym także grupy Yao, która została opublikowana w Nauki ścisłe Kilka miesięcy temu. Tam naukowcy zaobserwowali tak zwany pre-etermiczny kryształ czasu, w którym drgania subharmoniczne są stabilizowane przez napęd o wysokiej częstotliwości. Eksperymenty przeprowadzono w laboratorium Monroe Uniwersytetu Maryland przy użyciu jednowymiarowego łańcucha uwięzionych jonów atomowych, tego samego układu, który zaobserwował pierwsze sygnały dynamiki kryształów czasu ponad pięć lat temu. Co ciekawe, w przeciwieństwie do lokalnego wielociałowego kryształu czasu, który z natury reprezentuje kwantową fazę fluorytu, przedpreriowe kryształy czasu mogą istnieć jako kwantowe lub klasyczne fazy materii.

Wiele pytań pozostaje otwartych. Czy istnieją praktyczne zastosowania? kryształy czasu? Czy rozpraszanie może pomóc przedłużyć żywotność kryształu czasu? Mówiąc bardziej ogólnie, jak i kiedy są równoważone sterowane układy kwantowe? Przedstawione wyniki pokazują, że defekty spinowe w ciałach stałych stanowią elastyczną platformę do eksperymentalnego badania tych ważnych otwartych pytań w fizyce statystycznej.

„Zdolność do izolowania kolców z ich środowiska, przy jednoczesnym kontrolowaniu ich interakcji, zapewnia wspaniałą okazję do zbadania, w jaki sposób informacje są zachowywane lub tracone” – powiedział Francisco Machado, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Byłoby wspaniale zobaczyć, co stanie się dalej”.