Физики из Австралии запрограммировали квантовый компьютер за полмира от нас, чтобы создать или, по крайней мере, смоделировать кристалл времени рекордного размера — систему квантовых частиц, которая замыкается на вечный цикл во времени, чем-то сродни повторяющейся пространственной модели атомов. в настоящем кристалле.
Новый кристалл времени состоит из 57 квантовых частиц, что более чем в два раза превышает размер кристалла времени из 20 частиц, смоделированного в прошлом году учеными из Google. Он настолько велик, что ни один обычный компьютер не может его смоделировать, говорит Четан Наяк, физик по конденсированным средам в Microsoft, не участвовавший в работе. «Так что это определенно важное достижение». Работа показывает способность квантовых компьютеров моделировать сложные системы, которые в противном случае могли бы существовать только в теориях физиков.
Идея кристалла времени возникла 10 лет назад, когда Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике-теоретику из Массачусетского технологического института, размышлял о поразительном пространственном расположении атомов в обычном кристалле. Откуда берется узор? Это явно не определяется уравнениями для сил между атомами, которые, казалось бы, позволяют любому атому находиться где угодно с равной вероятностью. Скорее, он возникает спонтанно, если атомы достаточно охлаждаются. Как только несколько атомов прижимаются друг к другу, положение следующего становится предсказуемым, и возникает закономерность, которая только подразумевается в силах.
Вильчек задавался вопросом, может ли со временем произойти что-то подобное. Он представил себе систему квантовых частиц, взаимодействующих через силы, которые не изменяются во времени, которым каким-то образом удается выполнять некоторую циклическую эволюцию даже в самом низком энергетическом состоянии. Это оказалось невозможным. Однако в 2016 году две разные группы возродили это понятие, рассмотрев систему, неоднократно подвергавшуюся воздействию какого-либо внешнего стимула . Они обнаружили, что при правильных условиях он может зафиксироваться в схеме изменений с течением времени, которая повторяется с другой, более низкой частотой, чем стимул. Эта более низкая частотная характеристика является характерной чертой кристалла времени.
Система состоит из цепочки крошечных квантово-механических магнитов, которые могут указывать вверх, вниз или, благодаря странным правилам квантовой механики, в обе стороны одновременно. В цепочке соседние магниты имеют тенденцию ориентироваться в противоположных направлениях, чтобы снизить свою энергию, в то время как случайно выбранное локальное магнитное поле заставляет каждый магнит склоняться больше в ту или иную сторону. Постоянный поток магнитных импульсов также периодически переворачивает магниты вверх вниз и наоборот. Идея состоит в том, что при правильных условиях любая конфигурация магнитов будет переворачиваться снова и снова, один раз на каждые два импульса. Экспериментаторы продемонстрировали эту идею в самых разных системах: от электронов в алмазе до ионов, пойманных в ловушку, до квантовых битов или кубитов в квантовом компьютере.
Теперь Филипп Фрей и Стефан Рэйчел, теоретики из Мельбурнского университета, предлагают гораздо более масштабную демонстрацию кубитов. Они выполнили моделирование удаленно, используя квантовые компьютеры, созданные и управляемые IBM в Соединенных Штатах. Кубиты, которые могут быть установлены на 0, 1 или 1 и 0 одновременно, можно запрограммировать так, чтобы они взаимодействовали как магниты. Исследователи обнаружили, что при определенных настройках их взаимодействия любая начальная настройка 57 кубитов, например 01101101110…, остается стабильной, возвращаясь в исходное состояние каждые два импульса , сообщают сегодня исследователи в Science Advances .
На первый взгляд, это наблюдение может показаться немного ошеломляющим. В конце концов, если бы магниты не взаимодействовали, каждый импульс переворачивал бы их на 180°, создавая именно такую получастотную характеристику. Однако то, что делает систему кристаллом времени, — это то, как взаимодействия между магнитами стабилизируют структуру, объясняет Доминик Элс, теоретик конденсированного состояния из Гарвардского университета. Это делает систему невосприимчивой к несовершенствам, таким как импульсы, которые недостаточно длинны, чтобы полностью перевернуть спины. «На самом деле это фаза материи, стабилизированная многими взаимодействиями тел», — говорит Элс.
Любопытно, что просто увеличить силу взаимодействия магнитов недостаточно. Взаимодействия также должны случайным образом варьироваться от одной пары соседей к другой, объясняет Рэйчел. Если все магниты взаимодействуют с одинаковой силой, то, если один магнит выйдет из строя, это может привести к тому, что другие в цепочке тоже перевернутся неправильно, объясняет он. Случайность на самом деле предотвращает распространение таких ошибок и стабилизирует кристалл времени, говорит Рэйчел.
В то время как более 100 исследователей работали над симуляцией Google , Фрей и Рэйчел работали в одиночку, чтобы провести большую демонстрацию, отправив ее на компьютеры IBM через Интернет. «Там были только я, мой аспирант и ноутбук», — говорит Рэйчел, добавляя, что «Филипп великолепен!» По его оценке, весь проект занял около 6 месяцев.
Демонстрация не идеальна, говорит Рэйчел. По его словам, схема переключения должна длиться бесконечно, но кубиты в машинах IBM могут удерживать свое состояние только достаточно долго, чтобы имитировать около 50 циклов. В конечном счете, стабилизирующий эффект взаимодействий может быть использован для сохранения состояния цепочки кубитов в своего рода памяти для квантового компьютера, отмечает он, но для реализации такого прогресса потребуется — что еще? — время.