Stanford e Google collaborano per creare cristalli temporali utilizzando computer quantistici

Un team di ricercatori, tra cui ricercatori di Stanford e Google, ha creato e osservato una nuova fase della materia, nota come cristallo temporale.

C’è un enorme sforzo globale per progettare un computer in grado di sfruttare la potenza della fisica quantistica per eseguire calcoli di una complessità senza precedenti. Sebbene formidabili ostacoli tecnologici ostacolino ancora la creazione di un tale computer quantistico, i prototipi attuali possono ancora ottenere risultati impressionanti.

Ad esempio, creando una nuova fase della materia chiamata «cristallo temporale». Proprio come la struttura di un cristallo si ripete nello spazio, un cristallo temporale si ripete nel tempo e, cosa più importante, lo fa all’infinito e senza alcun altro input di energia, come un orologio che funziona all’infinito senza batterie. La ricerca di questo stadio della materia è stata una sfida di vecchia data in teoria e in esperimenti, che alla fine ha dato i suoi frutti.

In una ricerca pubblicata il 30 novembre 2021 sulla rivista temperamento natura, un team di scienziati della Stanford University, Google Quantum Eye, il Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems e l’Università di Oxford hanno dettagliato la loro creazione di un cristallo temporale utilizzando Google Sycamore Statistiche quantitative hardware.

Chip Google Sycamore utilizzato per creare un cristallo temporale. Credito: Google Quantum AI

ha affermato Matteo Ippoliti, ricercatore post-dottorato presso la Stanford University e co-autore principale del lavoro. «Invece del calcolo, abbiamo messo il computer al lavoro come una nuova piattaforma sperimentale per percepire e scoprire nuove fasi della materia».

Per il team, l’eccitazione dei loro risultati risiede non solo nella creazione di una nuova fase della materia, ma nell’apertura di opportunità per esplorare nuovi sistemi nel campo della fisica della materia condensata, che studia nuovi fenomeni e proprietà determinati dalle interazioni collettive di molti cose nel sistema (Tali interazioni possono essere molto più ricche delle proprietà dei singoli organismi.)

«I cristalli temporali sono un chiaro esempio di un nuovo tipo di fase quantistica di non equilibrio della materia», ha affermato Vidika Khemani, assistente professore di fisica alla Stanford University e autore principale del documento di ricerca. «Mentre gran parte della nostra comprensione della fisica della materia condensata dipende dai sistemi di equilibrio, questi nuovi dispositivi quantistici ci forniscono un’affascinante finestra sui nuovi sistemi di non equilibrio nella fisica multicorpo».

Che tempo di cristallo e cosa non lo è

Gli ingredienti di base per creare un cristallo questa volta sono i seguenti: l’equivalente fisico di un moscerino della frutta e qualcosa che gli dia una spinta. Drosophila in Physics è il modello di Ising, uno strumento di vecchia data per la comprensione di vari fenomeni fisici – comprese le transizioni di fase e il magnetismo – che consiste in un reticolo in cui occupa ogni posizione di particella che può essere in due stati, rappresentati come una rotazione verso l’alto o verso il basso.

Durante i suoi anni post-laurea, Khimani era il suo consigliere di dottorato, Shivaji Sundi, poi in università di Princeton, e Achilleas Lazarides e Roderich Moessner dell’Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi si sono imbattuti inconsapevolmente in questa ricetta per creare cristalli temporali. Stavano studiando i sistemi di non equilibrio di molti corpi – sistemi in cui le particelle «si bloccano» nello stato in cui sono iniziate e non possono mai rilassarsi nello stato di equilibrio. Erano interessati ad esplorare le fasi che potrebbero svilupparsi in tali sistemi quando vengono «calci» periodicamente dal laser. Non solo sono stati in grado di trovare fasi stabili di non equilibrio, ma ne hanno trovata una in cui lo spin della particella si è capovolto tra schemi che si ripetono nel tempo per sempre, il doppio del tempo del comando del laser, creando un cristallo temporale.

Una vista del frigorifero di mitigazione di Google, che ospita una fetta di sicomoro. Credito: Google Quantum AI

Il movimento periodico del laser stabilisce un ritmo specifico della dinamica. Normalmente la «danza» degli avvolgimenti dovrebbe coincidere con questo ritmo, ma allo stesso tempo il cristallo non lo è. Invece, i cicli ruotano tra due stati, completando il ciclo solo dopo essere stati colpiti dal laser due volte. Ciò significa che la coerenza del tempo di compilazione del sistema è disabilitata. Le simmetrie giocano un ruolo fondamentale in fisica e sono spesso rotte, spiegando le origini dei normali cristalli, magneti e molti altri fenomeni; Tuttavia, la simmetria di traslazione del tempo si distingue perché, a differenza di altre simmetrie, non può essere rotta in equilibrio. Il calcio periodico è una scappatoia che rende possibili i cristalli temporali.

Raddoppiare il periodo di oscillazione è insolito, ma non senza precedenti. Le oscillazioni di lunga durata sono anche molto comuni nella dinamica quantistica di pochi sistemi di particelle. Ciò che rende unico un cristallo temporale è che è un sistema di milioni di cose che mostrano questo tipo di comportamento coordinato senza che entri energia. o trapelare.

«È una fase della materia completamente robusta, in cui non si sintonizzano parametri o stati, ma il sistema è ancora quantistico», ha detto Sundy, professore di fisica a Oxford e coautore del documento di ricerca. «Non c’è alimentazione di energia, non c’è esaurimento di energia, e va avanti all’infinito e coinvolge molte particelle altamente reattive».

Anche se questo può sembrare sospettosamente vicino a una «macchina del moto perpetuo», uno sguardo più attento rivela che i cristalli del tempo non infrangono alcuna legge fisica. L’entropia – una misura del disordine in un sistema – rimane costante nel tempo, soddisfacendo marginalmente la seconda legge della termodinamica attraverso il non decremento.

Tra lo sviluppo di questo piano per un cristallo temporale e l’esperimento del computer quantistico che lo ha portato alla vita, gli esperimenti di molti diversi team di ricercatori hanno raggiunto molte pietre miliari del cristallo all’incirca nel tempo. Tuttavia, fornire tutti gli ingredienti nella ricetta della «localizzazione a molti corpi» (il fenomeno che consente la cristallizzazione a tempo infinitamente fisso) è rimasta una grande sfida.

Per Khemani e i suoi collaboratori, il passo finale per raggiungere il successo di Crystal è stato lavorare con un team di Google Quantum AI. Insieme, questo gruppo ha utilizzato l’hardware di calcolo quantistico Sycamore di Google per programmare 20 «spin» utilizzando la versione quantistica delle informazioni di un computer classico, note come qubit.

Rivelando quanto interesse sia attualmente per i cristalli temporali, i cristalli sono stati ancora una volta schierati in Scienza Questo mese. Questo cristallo è stato creato utilizzando qubit all’interno del diamante dai ricercatori della Delft University of Technology nei Paesi Bassi.

possibilità quantistiche

I ricercatori sono stati in grado di confermare la loro affermazione di un cristallo in tempo reale grazie alle capacità speciali di un computer quantistico. Sebbene le dimensioni finite e il tempo di coerenza del dispositivo quantistico (imperfetto) significassero che il loro esperimento era limitato in termini di dimensioni e durata – in modo che le oscillazioni dei cristalli possano essere osservate solo per poche centinaia di cicli anziché indefinitamente – i ricercatori hanno ideato diversi protocolli per valutare la stabilità della loro creazione. Questi includevano l’esecuzione della simulazione avanti e indietro nel tempo e il ridimensionamento.

«Abbiamo utilizzato con successo l’ingegnosità di un computer quantistico per aiutarci ad analizzare i suoi limiti», ha affermato Moessner, coautore del documento di ricerca e direttore del Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems. «Sostanzialmente ci ha detto come correggere i propri errori, in modo che l’impronta digitale del comportamento perfetto di un cristallo del tempo potesse essere verificata attraverso osservazioni a tempo limitato».

La caratteristica principale di un cristallo temporale ideale è che mostra oscillazioni indeterminate di tutti Stati. La verifica di questa potenza nella selezione degli stati è stata una grande sfida sperimentale e i ricercatori hanno ideato un protocollo per esaminare più di un milione di stati di cristalli temporali in un solo ciclo del dispositivo, richiedendo solo millisecondi di runtime. È come guardare un cristallo fisico da molte angolazioni per verificarne la struttura ripetitiva.

«La caratteristica unica del nostro processore quantistico è la sua capacità di creare stati quantistici altamente complessi», ha affermato Xiao Mei, ricercatore di Google e co-autore del documento di ricerca. «Questi stati consentono di indagare efficacemente le strutture di fase del materiale senza dover indagare sull’intero spazio computazionale, un compito altrimenti intrattabile».

Creare una nuova fase della materia è senza dubbio entusiasmante a un livello fondamentale. Inoltre, il fatto che questi ricercatori siano stati in grado di farlo indica la crescente utilità dei computer quantistici per applicazioni diverse dall’informatica. «Sono ottimista sul fatto che con più e migliori qubit, il nostro approccio potrebbe diventare un metodo importante nello studio delle dinamiche di squilibrio», ha affermato Pedram Roshan, ricercatore di Google e autore senior dell’articolo.

«Pensiamo che l’uso più entusiasmante dei computer quantistici in questo momento sia come piattaforme per la fisica quantistica fondamentale», ha affermato Ippoliti. «Con le capacità uniche di questi sistemi, c’è speranza che scoprirai alcuni nuovi fenomeni che non ti saresti aspettato».

Riferimento: «Eigenstate Time-Crystalline Ranking on a Quantum Processor» di 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 nata 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 Zelkman, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Migrant, Julian Kelly, Yu Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Constantin Kishidze, Fedramica Khoshani, 30 novembre 2021, temperamento natura.
DOI: 10.1038/s41586-021-04257-w

Il lavoro è stato condotto dalla Stanford University, da Google Quantum AI, dal Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems e dall’Università di Oxford. L’elenco completo degli autori è disponibile su temperamento natura carta.

Questa ricerca è stata finanziata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).Darpa), Google Research Award, Sloan Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation e Deutsche Forschungsgemeinschaft.