Ученые Google теперь довольно увлекательно заявляют, что их результаты устанавливают «масштабируемый подход» к изучению кристаллов времени на современных квантовых процессорах.
Марко Александр / Shutterstock
В новом исследовании ученые Google утверждают, что использовали квантовый процессор для полезного научного приложения: для наблюдения за настоящим кристаллом времени.
Если «кристалл времени» звучит как фантастика, то это потому, что это так. Кристаллы времени — это не что иное, как новая «фаза материи», как говорят исследователи, которая уже несколько лет теоретизируется как новое состояние, которое потенциально может пополнить ряды твердых тел, жидкостей, газов, кристаллов и так далее. Документ остается в стадии предпечатной подготовки и требует рецензирования.
Кристаллы времени также трудно найти. Но теперь ученые Google весьма увлекательно заявляют, что их результаты устанавливают «масштабируемый подход» к изучению кристаллов времени на современных квантовых процессорах.
СМ .: Что такое квантовые вычисления? Все, что вам нужно знать о странном мире квантовых компьютеров. естественно, имеют тенденцию приходить в состояние, известное как «максимальная энтропия».
Возьмем пример: если вы нальете немного молока в кофейную чашку, молоко в конечном итоге растворится в кофе, вместо того, чтобы оставаться наверху, позволяя всей системе прийти в равновесие. Это связано с тем, что существует гораздо больше способов для произвольного распределения кофе по кофе, чем для того, чтобы он располагался более упорядоченным образом в верхней части чашки.
Это непреодолимое стремление к тепловому равновесию, описанное во втором законе термодинамики, отражает тот факт, что все вещи имеют тенденцию двигаться к менее полезным, случайным состояниям. Со временем системы неизбежно вырождаются в хаос и беспорядок, то есть в энтропию.
Кристаллы времени, с другой стороны, не могут установить тепловое равновесие. Вместо того, чтобы медленно деградировать в сторону случайности, они застревают в двух высокоэнергетических конфигурациях, между которыми они переключаются, и этот возвратно-поступательный процесс может продолжаться бесконечно.
Чтобы лучше объяснить это, Курт фон Кейзерлингк, преподаватель школы физики и астрономии в Университете Бирмингема, который не участвовал в последнем эксперименте Google, вытаскивает несколько слайдов из вводной речи для будущих студентов. . «Обычно они делают вид, что понимают, поэтому это может быть полезно», — предупреждает фон Кейзерлингк ZDNet.
Все начинается с мысленного эксперимента: возьмите ящик в замкнутой системе, изолированной от остальной вселенной, загрузите в него пару десятков монет и встряхните миллион раз. Когда монеты переворачиваются, падают и отскакивают друг от друга, они беспорядочно меняют позиции и становятся все более хаотичными. Ожидается, что при открытии коробки вы столкнетесь с примерно половиной монет на их стороне головы и половиной на их хвосте.
Неважно, начался ли эксперимент с большим количеством монет на хвосте или с большим количеством монет на головах: система забывает, какой была первоначальная конфигурация, и по мере встряхивания она становится все более случайной и хаотичной.
Эта закрытая система, когда она переведена в квантовую область, является идеальной средой для попытки найти кристаллы времени, и единственной известной на сегодняшний день. «Единственные кристаллы стабильного времени, которые мы представляли в закрытых системах, являются квантово-механическими», — говорит фон Кейзерлингк.
Откройте для себя квантовый процессор Google Sycamore, который хорошо известен тем, что достиг квантового превосходства и теперь ищет какое-то полезное приложение для квантовых вычислений.
Квантовый процессор, по определению, является идеальным инструментом для воспроизведения квантово-механической системы. В этом сценарии команда Google представила монеты в коробке с кубитами, вращающимися вверх и вниз в замкнутой системе; и вместо того, чтобы встряхивать коробку, они применили набор определенных квантовых операций, которые могут изменить состояние кубитов, которые они повторяли много раз.
Вот где кристаллы времени бросают вызов всем ожиданиям. Глядя на систему после определенного количества операций или встряхиваний, можно обнаружить, что конфигурация кубитов не случайна, а скорее похожа на исходную.
«Первый ингредиент, который составляет кристалл времени, — это то, что он помнит, что делал изначально. Он не забывает, — говорит фон Кейзерлингк. «Система« монеты в коробке »об этом забывает, а система с кристаллами времени — нет».
На этом не заканчивается. Встряхните систему четное количество раз, и вы получите конфигурацию, аналогичную исходной, но встряхните ее нечетное количество раз, и вы получите еще одну настройку, в которой решки перевернуты в сторону. -versa.
И независимо от того, сколько операций выполняется в системе, она всегда будет метаться, регулярно перемещаясь между этими двумя состояниями.
Ученые называют это нарушением симметрии времени — поэтому так и называются временные кристаллы. Это связано с тем, что операция, проводимая для стимуляции системы, всегда одна и та же, и все же реакция приходит только на каждое второе встряхивание.
"В эксперименте Google они выполняют ряд операций с этой цепочкой спинов, затем они делают то же самое снова и снова. Они делают то же самое на сотом шаге, что и на сотом шаге. миллионный шаг, если они зайдут так далеко », — говорит фон Кейзерлингк.
«Таким образом, они подвергают систему набору условий, обладающих симметрией, и все же система реагирует таким образом, что нарушает эту симметрию. Это одно и то же каждые два периода, а не каждый период. Это то, что делает это буквально кристалл времени ".
SEE: Большие квантовые компьютеры, быстрее: эта новая идея могла бы стать самым быстрым путем к приложениям реального мира
Поведение кристаллов времени, с научной точки зрения, это увлекательно: в отличие от любой другой известной системы, они не склонны к беспорядку и хаосу. В отличие от монет в шкатулке, которые запутываются и оседают примерно на половину решки и половины решки, они нарушают закон энтропии, застревая в особом состоянии кристалла времени.
Другими словами, они бросают вызов второму закону термодинамики, который, по сути, определяет направление всех природных явлений. Задумайтесь об этом на мгновение.
Такие специальные системы нелегко наблюдать. Кристаллы времени вызывают интерес с 2012 года, когда о них начал думать лауреат Нобелевской премии профессор Массачусетского технологического института Франк Вильчек; и с тех пор теория много раз опровергалась, обсуждалась и опровергалась.
На сегодняшний день было предпринято несколько попыток создать и наблюдать кристаллы времени с разной степенью успеха. Только в прошлом месяце команда из Делфтского технологического университета в Нидерландах опубликовала предпечатную версию, показывающую, что они построили кристалл времени в алмазном процессоре, хотя и меньшую систему, чем та, о которой заявляет Google.
Исследователи поискового гиганта использовали чип с 20 кубитами, который служил в качестве кристалла времени — намного больше, чем, по словам фон Кейзерлингка, чем было достигнуто до сих пор, и чем могло быть достигнуто с помощью классического компьютера.
Используя ноутбук, довольно легко смоделировать около 10 кубитов, — объясняет фон Кейзерлингк. Добавьте больше, и скоро будут достигнуты ограничения, присущие текущему оборудованию: каждый лишний кубит требует экспоненциального количества памяти.
Ученый не останавливается перед заявлением, что этот новый эксперимент является демонстрацией квантового превосходства. «Они недостаточно далеко, чтобы я мог сказать, что это невозможно сделать с классическим компьютером, потому что, возможно, есть умный способ поместить его на классический компьютер, о котором я не думал», — говорит фон Кейзерлингк. .
«Но я думаю, что это, безусловно, самая убедительная экспериментальная демонстрация кристалла времени на сегодняшний день».
SEE: Квантовые вычисления только что взяли на себя еще одну серьезную задачу, которая может быть такой же сложной, как сталь
Масштаб и контроль эксперимента Google означает, что можно дольше смотреть на временные кристаллы, проводить подробные наборы измерений, изменять размер системы и т. д. Другими словами, это полезная демонстрация, которая может действительно продвинуть науку — и, как таковая, она может быть ключевой в демонстрации центральной роли, которую квантовые симуляторы будут играть в открытии физики.
Конечно, есть некоторые оговорки. Как и все квантовые компьютеры, процессор Google по-прежнему страдает от декогеренции, которая может вызвать распад квантовых состояний кубитов и означает, что колебания временных кристаллов неизбежно затухают, поскольку окружающая среда вмешивается в систему.
Однако в предпечатной версии утверждается, что по мере того, как процессор становится более изолированным, эта проблема может быть уменьшена.
Одно можно сказать наверняка: в ближайшее время кристаллы времени не будут находиться в наших жилых комнатах, потому что ученые еще не нашли для них окончательного полезного применения. Поэтому маловероятно, что эксперимент Google был посвящен исследованию ценности кристаллов времени для бизнеса; скорее, он показывает, что потенциально может стать еще одним ранним применением квантовых вычислений, и еще одной демонстрацией технологического мастерства компании в новой области развития, о которой идет много споров.
