Googles forskere sier nå ganske spennende at resultatene deres etablerer en” skalerbar tilnærming “for å studere tidskrystaller på nåværende kvanteprosessorer.
Av Marko Aliaksandr/Shutterstock
I en ny forskningsartikkel hevder Google -forskere å ha brukt en kvanteprosessor for en nyttig vitenskapelig applikasjon: å observere en ekte tidskrystall.
Hvis 'tidskrystall' høres ganske sci-fi ut, er det fordi de er det. Tidskrystaller er ikke mindre enn en ny “fase av materie”, som forskere uttrykte det, som har vært teoretisert i noen år nå som en ny tilstand som potensielt kan slutte seg til rekken av faste stoffer, væsker, gasser, krystaller og så videre. Papiret forblir i forhåndstrykk og krever fortsatt fagfellevurdering.
Tidskrystaller er også vanskelige å finne. Men Googles forskere sier nå ganske spennende at resultatene deres etablerer en “skalerbar tilnærming” for å studere tidskrystaller på nåværende kvanteprosessorer.
SE: Hva er quantum computing? Alt du trenger å vite om kvante datamaskiners merkelige verden
Å forstå hvorfor tidskrystaller er interessante krever litt bakgrunn i fysikk – spesielt kunnskap om termodynamikkens andre lov, som sier at systemer naturlig har en tendens til å bosette seg i en tilstand som kalles “maksimal entropi”.
For å ta et eksempel: Hvis du heller litt melk i en kaffekopp, vil melken til slutt oppløses i hele kaffen, i stedet for å sitte på toppen, slik at det generelle systemet kan komme i likevekt. Dette er fordi det er mange flere måter for kaffen å tilfeldig spre seg utover kaffen enn det er for å sitte på en mer ryddig måte på toppen av koppen.
Denne uimotståelige drivkraften mot termisk likevekt, som beskrevet i termodynamikkens andre lov, reflekterer det faktum at alle ting har en tendens til å bevege seg mot mindre nyttige, tilfeldige tilstander. Etter hvert som tiden går, degenererer systemene uunngåelig til kaos og uorden – det vil si entropi.
Tidskrystaller klarer derimot ikke å bosette seg i termisk likevekt. I stedet for å sakte degenerere mot tilfeldighet, setter de seg fast i to høyenergi-konfigurasjoner de bytter mellom-og denne frem og tilbake-prosessen kan fortsette for alltid.
For å forklare dette bedre trekker Curt von Keyserlingk, foreleser ved fysikk- og astronomiskolen ved University of Birmingham, som ikke deltok i Googles siste eksperiment, noen lysbilder fra en innledende tale til potensielle studenter. “De later vanligvis til å forstå, så det kan være nyttig,” advarer von Keyserlingk ZDNet.
Det starter med et tankeeksperiment: Ta en eske i et lukket system som er isolert fra resten av universet, last den med et par titalls mynter og rist den en million ganger. Når myntene snurrer, tumler og spretter av hverandre, flytter de tilfeldig posisjoner og blir mer og mer kaotiske. Når du åpner esken, er forventningen at du vil bli møtt med omtrent halvparten av myntene på hodene og halvparten på halen.
Det spiller ingen rolle om eksperimentet startet med flere mynter på halen eller flere mynter på hodet: systemet glemmer hva den opprinnelige konfigurasjonen var, og det blir stadig mer tilfeldig og kaotisk når det ristes.
Dette lukkede systemet, når det er oversatt til kvantedomenet, er den perfekte setting for å prøve å finne tidskrystaller, og den eneste som er kjent hittil. “De eneste stabile tidskrystallene vi har sett for oss i lukkede systemer er kvantemekaniske,” sier von Keyserlingk.
Skriv inn Googles kvanteprosessor, Sycamore, som er kjent for å ha oppnådd kvanteoverlegenhet og nå ser etter en slags nyttig applikasjon for kvanteberegning.
En kvanteprosessor er per definisjon et perfekt verktøy for å replikere et kvantemekanisk system. I dette scenariet representerte Googles team myntene i esken med qubits som snurret oppover og nedover i et lukket system; og i stedet for å riste boksen, brukte de et sett med spesifikke kvanteoperasjoner som kan endre tilstanden til qubits, som de gjentok mange ganger.
Det er her tidskrystaller trosser alle forventninger. Å se på systemet etter et visst antall operasjoner, eller rister, avslører en konfigurasjon av qubits som ikke er tilfeldig, men i stedet ser ganske lik ut den opprinnelige konfigurasjonen.
“Den første ingrediensen som utgjør en tidskrystall er at den husker hva den gjorde i utgangspunktet. Den glemmer ikke,” sier von Keyserlingk. “Coin-in-a-box-systemet glemmer, men et tidskrystallsystem gjør det ikke.”
Det stopper ikke her. Rist systemet et jevnt antall ganger, og du får en lignende konfigurasjon som den opprinnelige – men rist det et oddetall ganger, og du får et nytt oppsett, der halene har blitt vendt til hoder og skruer -versa.
Og uansett hvor mange operasjoner som utføres på systemet, vil det alltid vippe og gå regelmessig frem og tilbake mellom de to statene.
Forskere kaller dette et brudd i tidens symmetri – derfor kalles tidskrystaller det. Dette er fordi operasjonen som utføres for å stimulere systemet alltid er den samme, og likevel kommer responsen bare annenhver risting.
“I Google -eksperimentet utfører de et sett med operasjoner på denne spinnkjeden, så gjør de nøyaktig det samme igjen og igjen. De gjør det samme på det hundre trinnet som de gjør på det millionste trinnet, hvis de går så langt, sier von Keyserlingk.
“Så de utsetter systemet for et sett med betingelser som har symmetri, og likevel reagerer systemet på en måte som bryter symmetrien. Det er det samme annenhver periode i stedet for hver periode. Det er det som gjør det bokstavelig talt en tidskrystall. ”
SE: Større kvantemaskiner, raskere: Denne nye ideen kan være den raskeste veien til virkelige apper
Oppførselen til tidskrystaller, fra et vitenskapelig perspektiv, er fascinerende: i motsetning til alle andre kjente systemer, har de ikke en tendens til uorden og kaos. I motsetning til myntene i esken, som blir forvirret og setter seg på omtrent halve hoder og halve haler, bukker de entropiloven ved å sette seg fast i en spesiell tidskrystalltilstand.
Med andre ord, de trosser termodynamikkens andre lov, som i hovedsak definerer retningen alle naturhendelser tar. Tenk på det et øyeblikk.
Slike spesialsystemer er ikke lette å observere. Tidskrystaller har vært et tema av interesse siden 2012, da Nobelprisvinnende MIT-professor Frank Wilczek begynte å tenke på dem; og teorien har blitt tilbakevist, debattert og motsagt mange ganger siden den gang.
Flere forsøk har blitt gjort for å lage og observere tidskrystaller til dags dato, med ulik grad av suksess. Bare i forrige måned publiserte et team fra Delft University of Technology i Nederland et forhåndsutskrift som viste at de hadde bygget en tidskrystall i en diamantprosessor, selv om det var et mindre system enn det Google hevdet.
Søkegigantens forskere brukte en chip med 20 qubits for å tjene som tidskrystall – mange flere, ifølge von Keyserlingk, enn det som er oppnådd før nå, og som kunne oppnås med en klassisk datamaskin.
Ved hjelp av en bærbar datamaskin er det ganske enkelt å simulere rundt 10 qubits, forklarer von Keyserlingk. Legg til mer enn det, og grensene for gjeldende maskinvare er snart nådd: hver ekstra qubit krever eksponentielle mengder minne.
Vitenskapsmannen slutter å si at dette nye eksperimentet er et show på kvanteoverlegenhet. “De er ikke så langt nok til at jeg kan si at det er umulig å gjøre med en klassisk datamaskin, for det kan være en smart måte å sette den på en klassisk datamaskin som jeg ikke har tenkt på,” sier von Keyserlingk .
“Men jeg tror dette er den desidert mest overbevisende eksperimentelle demonstrasjonen av en tidskrystall til nå.”
SE: Quantum computing tok akkurat en annen stor utfordring, en som kan være like tøff som stål
Omfanget og kontrollen med Googles eksperiment betyr at det er mulig å se på tidskrystaller lenger, gjøre detaljerte sett med målinger, variere størrelsen på systemet og så videre. Med andre ord er det en nyttig demonstrasjon som virkelig kan fremme vitenskapen – og som sådan kan den være nøkkelen til å vise den sentrale rollen som kvantesimulatorer vil spille for å muliggjøre funn i fysikk.
Det er selvfølgelig noen forbehold. Som alle kvantemaskiner, lider Googles prosessor fortsatt av dekoherens, noe som kan forårsake forfall i qubits kvantetilstander, og betyr at svingninger i tidskrystaller uunngåelig dør ut når miljøet forstyrrer systemet.
Forutskriften hevder imidlertid at ettersom prosessoren blir mer effektivt isolert, kan dette problemet dempes.
En ting er sikkert: tidskrystaller vil ikke sitte i stua våre snart, fordi forskere ennå ikke har funnet en endelig nyttig applikasjon for dem. Det er derfor lite sannsynlig at Googles eksperiment handlet om å utforske forretningsverdien av tidskrystaller; Den viser snarere hva som potensielt kan være en annen tidlig anvendelse av kvanteberegning, og enda en demonstrasjon av selskapets teknologiske dyktighet i et sterkt omstridt nytt utviklingsområde.
Maskinvare
Lenovos X1 Titanium Yoga er den tynneste ThinkPad Intels flaggskip Rocket Lake-S-prosessorer med et stort ytelsesøkning HP oppdaterer hjemmekontorene med Elite Dragonfly G2 og Folio headlining Beste sikkerhetsnøkler i 2021 Dell lanserer skjermer, Latitude, OptiPlex, Precision -enheter rettet mot arbeidets nye normale
Relaterte emner:
Google PC -servere Lagring Nettverksdatasentre 