Một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu từ Stanford và Google đã tạo ra và quan sát một giai đoạn mới của vật chất, được gọi là tinh thể thời gian.

Có một nỗ lực toàn cầu to lớn nhằm tạo ra một chiếc máy tính có khả năng khai thác sức mạnh của vật lý lượng tử để thực hiện các phép tính phức tạp chưa từng có. Trong khi các rào cản công nghệ ghê gớm vẫn cản trở việc tạo ra một máy tính lượng tử như vậy, các nguyên mẫu hiện tại vẫn có thể đạt được những kỳ tích ấn tượng.

Ví dụ, tạo ra một giai đoạn mới của vật chất được gọi là “tinh thể thời gian”. Cũng giống như cấu trúc của một tinh thể lặp lại trong không gian, một tinh thể thời gian lặp lại theo thời gian, và quan trọng nhất là nó hoạt động vô hạn và không có bất kỳ đầu vào năng lượng nào khác – giống như một chiếc đồng hồ chạy mãi mãi mà không cần pin. Việc theo đuổi giai đoạn vật chất này đã là một thách thức lâu dài trong lý thuyết và thực nghiệm — một thử thách cuối cùng đã được đền đáp.

Trong một nghiên cứu được công bố vào ngày 30 tháng 11 năm 2021 trên tạp chí bản chất nóng nảy, một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Stanford, Google Quantum Eye, Viện Max Planck về Vật lý Hệ thống Phức tạp và Đại học Oxford đã trình bày chi tiết việc tạo ra một tinh thể thời gian bằng Google Sycamore Thống kê định lượng phần cứng.

Con chip Google Sycamore được sử dụng để tạo ra một tinh thể thời gian. Tín dụng: Google Quantum AI

Matteo Ippoliti, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Stanford và là đồng tác giả chính của công trình cho biết. “Thay vì tính toán, chúng tôi đưa máy tính hoạt động như một nền tảng thử nghiệm mới để nhận thức và khám phá các giai đoạn mới của vật chất.”

Đối với nhóm, niềm phấn khích về những thành tựu của họ không chỉ nằm ở việc tạo ra một giai đoạn mới của vật chất, mà còn mở ra cơ hội khám phá các hệ thống mới trong lĩnh vực vật lý vật chất cô đặc, nghiên cứu các hiện tượng và tính chất mới do các tương tác tập thể của nhiều những thứ trong hệ thống. (Những tương tác như vậy có thể phong phú hơn nhiều so với các thuộc tính của từng sinh vật.)

Vidika Khemani, phó giáo sư vật lý tại Đại học Stanford và là tác giả chính của bài báo cho biết: “Các tinh thể thời gian là một ví dụ rõ ràng về một loại pha lượng tử không cân bằng mới của vật chất. “Mặc dù phần lớn hiểu biết của chúng ta về vật lý vật chất cô đặc phụ thuộc vào các hệ thống cân bằng, nhưng các thiết bị lượng tử mới này cung cấp cho chúng ta một cơ hội hấp dẫn vào các hệ thống phi cân bằng mới trong vật lý đa thể.”

Thật là một thời kỳ tinh thể và những gì không phải là

Các thành phần cơ bản để tạo ra một viên pha lê lần này như sau: vật lý tương đương với ruồi giấm và một thứ gì đó để tăng sức mạnh cho nó. Drosophila trong Vật lý là mô hình Ising, một công cụ lâu đời để hiểu các hiện tượng vật lý khác nhau – bao gồm chuyển pha và từ tính – bao gồm một mạng tinh thể mà mỗi vị trí của hạt có thể ở hai trạng thái, được biểu thị dưới dạng chuyển động quay lên hoặc xuống.

Trong những năm sau đại học, Khimani là cố vấn tiến sĩ của cô, Shivaji Sundi, sau đó ở Trường Đại học Princeton, Achilleas Lazarides và Roderich Moessner của Viện Max Planck về Vật lý Hệ thống Phức tạp đã vô tình tình cờ phát hiện ra công thức tạo ra tinh thể thời gian này. Họ đang nghiên cứu các hệ thống không cân bằng của nhiều vật thể – những hệ thống mà các hạt “mắc kẹt” ở trạng thái mà chúng bắt đầu và không bao giờ có thể thư giãn ở trạng thái cân bằng. Họ quan tâm đến việc khám phá các giai đoạn có thể phát triển trong các hệ thống như vậy khi chúng bị tia laser “đá” định kỳ. Họ không chỉ có thể tìm ra các pha không cân bằng ổn định, họ còn tìm thấy một pha mà ở đó spin của hạt chuyển động giữa các mẫu lặp lại theo thời gian vĩnh viễn, dài gấp đôi lệnh của tia laze, tạo nên một tinh thể thời gian.

Quang cảnh Tủ lạnh giảm thiểu của Google, nơi chứa một lát cây sung. Tín dụng: Google Quantum AI

Chuyển động tuần hoàn của tia laser thiết lập một nhịp điệu cụ thể của động lực học. Thông thường, “vũ điệu” của các cuộn dây phải trùng với nhịp điệu này, nhưng đồng thời tinh thể thì không. Thay vào đó, các chu kỳ quay giữa hai trạng thái, chỉ hoàn thành chu kỳ sau khi bị tia laser đá hai lần. Điều này có nghĩa là Tính nhất quán về thời gian biên dịch của hệ thống bị vô hiệu hóa. Đối xứng đóng một vai trò cơ bản trong vật lý, và thường bị phá vỡ – giải thích nguồn gốc của các tinh thể thông thường, nam châm và nhiều hiện tượng khác; Tuy nhiên, phép đối xứng tịnh tiến theo thời gian nổi bật bởi vì, không giống như các phép đối xứng khác, nó không thể bị phá vỡ ở trạng thái cân bằng. Cú hích tuần hoàn là kẽ hở khiến tinh thể thời gian có thể tồn tại.

Tăng gấp đôi chu kỳ dao động là bất thường, nhưng không phải là chưa từng có. Các dao động tồn tại lâu dài cũng rất phổ biến trong động lực học lượng tử của một vài hệ hạt. Điều làm nên sự độc đáo của một tinh thể thời gian là đó là một hệ thống gồm hàng triệu thứ thể hiện loại hành vi phối hợp này mà không cần bất kỳ năng lượng nào. hoặc rò rỉ ra ngoài.

Sundy, giáo sư vật lý tại Oxford và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Đó là một giai đoạn hoàn toàn mạnh mẽ của vật chất, nơi bạn không điều chỉnh các tham số hoặc trạng thái, nhưng hệ thống của bạn vẫn là lượng tử”. “Không có nguồn cung cấp năng lượng, không có sự cạn kiệt năng lượng, và nó diễn ra mãi mãi và bao gồm nhiều hạt phản ứng mạnh.”

Mặc dù điều này có vẻ giống một cách đáng ngờ với “cỗ máy chuyển động vĩnh cửu”, nhưng khi quan sát kỹ hơn sẽ thấy rằng các tinh thể thời gian không phá vỡ bất kỳ quy luật vật lý nào. Entropy – một đại lượng đo độ rối loạn trong một hệ thống – không đổi theo thời gian, thỏa mãn một chút định luật thứ hai của nhiệt động lực học thông qua việc không giảm.

Giữa việc phát triển kế hoạch này cho một tinh thể thời gian và thí nghiệm máy tính lượng tử đưa nó vào cuộc sống, các thí nghiệm của nhiều nhóm nhà nghiên cứu khác nhau đã đạt được nhiều cột mốc quan trọng của tinh thể trong khoảng thời gian đó. Tuy nhiên, cung cấp tất cả các thành phần trong công thức “bản địa hóa nhiều cơ thể” (hiện tượng cho phép kết tinh thời gian cố định vô hạn) vẫn là một thách thức lớn.

Đối với Khemani và các cộng tác viên của cô, bước cuối cùng để đạt được thành công của Crystal là làm việc với một nhóm tại Google Quantum AI. Cùng nhau, nhóm này đã sử dụng phần cứng điện toán lượng tử Sycamore của Google để lập trình 20 “vòng quay” bằng cách sử dụng phiên bản lượng tử của các mẩu thông tin của một máy tính cổ điển, được gọi là qubit.

Tiết lộ mức độ quan tâm đến tinh thể thời gian hiện tại, các tinh thể một lần nữa được triển khai trong Khoa học Tháng này. Tinh thể này được tạo ra bằng cách sử dụng qubit bên trong kim cương bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan.

Cơ hội lượng tử

Các nhà nghiên cứu đã có thể xác nhận tuyên bố của họ về một tinh thể thời gian thực nhờ các khả năng đặc biệt của máy tính lượng tử. Mặc dù kích thước hữu hạn và thời gian gắn kết của thiết bị lượng tử (không hoàn hảo) có nghĩa là thí nghiệm của họ bị giới hạn về kích thước và thời lượng – do đó các dao động tinh thể chỉ có thể được quan sát trong vài trăm chu kỳ thay vì vô hạn – các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra các giao thức khác nhau để đánh giá sự ổn định của việc tạo ra chúng. Chúng bao gồm việc chạy mô phỏng tiến và lùi theo thời gian và mở rộng quy mô.

Moessner, đồng tác giả của bài nghiên cứu và là giám đốc tại Viện Max Planck về Vật lý các Hệ phức tạp cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng thành công sự khéo léo của một máy tính lượng tử để giúp chúng tôi phân tích các giới hạn của nó. “Về cơ bản, ông ấy đã cho chúng tôi biết cách sửa chữa những sai sót của chính ông ấy, để dấu vân tay về hành vi hoàn hảo của một tinh thể thời gian có thể được xác minh thông qua các quan sát trong thời gian giới hạn.”

Dấu hiệu chính của một tinh thể thời gian lý tưởng là nó thể hiện các dao động không xác định của tất cả mọi người Những trạng thái. Việc xác minh sức mạnh này trong việc lựa chọn trạng thái là một thách thức thực nghiệm lớn và các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một giao thức để kiểm tra hơn một triệu trạng thái của tinh thể thời gian chỉ trong một chu kỳ của thiết bị, chỉ cần thời gian chạy là mili giây. Điều này giống như việc xem một tinh thể vật lý từ nhiều góc độ để kiểm tra cấu trúc lặp lại của nó.

“Tính năng độc đáo của bộ xử lý lượng tử của chúng tôi là khả năng tạo ra các trạng thái lượng tử rất phức tạp”, Xiao Mei, một nhà nghiên cứu của Google và đồng tác giả của bài nghiên cứu cho biết. “Những trạng thái này cho phép các cấu trúc pha của vật liệu được khảo sát một cách hiệu quả mà không cần phải khảo sát toàn bộ không gian tính toán — một nhiệm vụ khó thực hiện.”

Việc tạo ra một giai đoạn mới của vật chất chắc chắn là thú vị ở cấp độ cơ bản. Ngoài ra, việc các nhà nghiên cứu này có thể làm được điều này cho thấy tính hữu dụng ngày càng tăng của máy tính lượng tử đối với các ứng dụng khác ngoài máy tính. “Tôi lạc quan rằng với ngày càng nhiều qubit tốt hơn, cách tiếp cận của chúng tôi có thể trở thành một phương pháp chính trong việc nghiên cứu động lực học mất cân bằng,” Pedram Roshan, một nhà nghiên cứu của Google và là tác giả cấp cao của bài báo cho biết.

Ippoliti cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng việc sử dụng máy tính lượng tử thú vị nhất hiện nay là làm nền tảng cho vật lý lượng tử cơ bản. “Với khả năng độc đáo của những hệ thống này, hy vọng rằng bạn sẽ khám phá ra một số hiện tượng mới mà bạn không thể ngờ tới.”

Tham khảo: “Xếp hạng tinh thể thời gian Eigenstate trên bộ xử lý lượng tử” của 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 Morozkowicz , Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Thomas Yusin nhũ danh 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, ngày 30 tháng 11 năm 2021, bản chất nóng nảy.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w

Công trình được dẫn dắt bởi Đại học Stanford, Google Quantum AI, Viện Max Planck về Vật lý Hệ thống Phức tạp và Đại học Oxford. Danh sách tác giả đầy đủ có tại bản chất nóng nảy giấy.

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA).Darpa), Giải thưởng Nghiên cứu của Google, Quỹ Sloan, Quỹ Gordon và Betty Moore và Deutsche Forschungsgemeinschaft.