Googles forskare säger nu ganska spännande att deras resultat etablerar en” skalbar metod “för att studera tidskristaller på nuvarande kvantprocessorer.
Av Marko Aliaksandr/Shutterstock
I en ny forskningsartikel påstår Google -forskare att de har använt en kvantprocessor för en användbar vetenskaplig tillämpning: att observera en äkta tidskristall.
Om 'time crystal' låter ganska sci-fi är det för att de är det. Tidskristaller är inte mindre än en ny “fas av materia”, som forskare uttryckte det, som sedan några år har teoretiserats som en ny stat som potentiellt kan ansluta sig till leden av fasta ämnen, vätskor, gaser, kristaller och så vidare. Papperet finns kvar i förtryck och kräver fortfarande peer review.
Tidskristaller är också svåra att hitta. Men Googles forskare säger nu ganska spännande att deras resultat etablerar en “skalbar metod” för att studera tidskristaller på nuvarande kvantprocessorer.
SE: Vad är kvantberäkning? Allt du behöver veta om kvantdatorernas konstiga värld
För att förstå varför tidskristaller är intressanta krävs lite bakgrund i fysik – särskilt kunskap om termodynamikens andra lag, som säger att system naturligtvis tenderar till ett arrangemang med lägsta möjliga energi, även känd som termisk jämvikt. Det är därför en isbit smälter i ett glas vatten vid rumstemperatur, till exempel.
Denna oemotståndliga drivkraft mot termisk jämvikt, som beskrivs i termodynamikens andra lag, återspeglar det faktum att alla saker tenderar att gå mot mindre användbara, slumpmässiga tillstånd. Som tiden går, urartar system oundvikligen till kaos och oordning, en föreställning som kallas entropi.
Tidskristaller å andra sidan misslyckas med att bosätta sig i termisk jämvikt. Istället för att långsamt degenerera mot slumpmässighet fastnar de i två högenergikonfigurationer som de växlar mellan-och denna fram och tillbaka-process kan pågå för alltid, i vad forskare beskriver som “evig rörelse”.
För att förklara detta bättre, drar Curt von Keyserlingk, föreläsare vid fysik- och astronomiskolan vid University of Birmingham, som inte deltog i Googles senaste experiment, fram några bilder från ett inledande samtal med blivande studenter. “De låtsas oftast förstå, så det kan vara användbart”, varnar von Keyserlingk ZDNet.
Det börjar med ett tankeexperiment: ta en låda i ett slutet system som är isolerat från resten av universum, ladda den med ett par dussintals mynt och skaka den en miljon gånger. När mynten studsar av varandra flyttar de slumpmässigt positioner och blir allt mer kaotiska. När du öppnar lådan är förväntningen att du kommer att möta ungefär hälften av mynten på deras huvudsida och hälften på deras svansar.
Det spelar ingen roll om experimentet började med fler mynt på svansen eller fler mynt på huvudet: systemet glömmer vad den ursprungliga konfigurationen var, och det blir allt mer slumpmässigt och kaotiskt när det skakas.
Detta slutna system, när det översätts till kvantdomänen, är den perfekta inställningen för att försöka hitta tidskristaller, och det enda som hittills är känt. “De enda stabila tidskristaller som vi har tänkt oss i slutna system är kvantmekaniska”, säger von Keyserlingk.
Ange Googles kvantprocessor, Sycamore, som är känt för att ha uppnått kvantöverlägsenhet och nu letar efter någon sorts användbar applikation för kvantberäkning.
En kvantprocessor är per definition ett perfekt verktyg för att replikera ett kvantmekaniskt system. I detta scenario representerade Googles team mynten i lådan med qubits som snurrade uppåt och nedåt i ett slutet system; och i stället för att skaka rutan använde de en uppsättning specifika kvantoperationer som kan ändra qubits tillstånd, som de upprepade många gånger.
Det är här som tidskristaller trotsar alla förväntningar. Att titta på systemet efter ett visst antal operationer, eller skakningar, avslöjar en konfiguration av qubits som inte är slumpmässig, utan snarare liknar den ursprungliga konfigurationen.
“Den första ingrediensen som utgör en tidskristall är att den kommer ihåg vad den gjorde inledningsvis. Den glömmer inte”, säger von Keyserlingk. “Coin-in-a-box-systemet glömmer, men ett tidskristallsystem gör det inte.”
Det stannar inte här. Skaka systemet ett jämnt antal gånger, så får du en liknande konfiguration som den ursprungliga – men skaka det ett udda antal gånger, så får du en annan inställning, där svansarna har vänds till huvuden och vice -versa.
Och oavsett hur många operationer som utförs på systemet, kommer det alltid att vända och gå regelbundet fram och tillbaka mellan dessa två stater.
Forskare kallar detta ett avbrott i tidens symmetri – varför tidskristaller kallas så. Detta beror på att den operation som utförs för att stimulera systemet alltid är densamma, och ändå kommer svaret bara varannan skakning.
“I Google -experimentet gör de en uppsättning operationer på den här kedjan av snurr, sedan gör de exakt samma sak igen och igen. De gör samma sak i det hundrade steget som de gör vid miljonsteget, om de går så långt, säger von Keyserlingk.
“Så de utsätter systemet för en uppsättning villkor som har symmetri, och ändå svarar systemet på ett sätt som bryter den symmetrin. Det är samma varannan period istället för varje period. Det är det som gör det bokstavligen en tidskristall. ”
SE: Större kvantdatorer, snabbare: Denna nya idé kan vara den snabbaste vägen till riktiga appar
Tidskristallernas beteende, ur ett vetenskapligt perspektiv, är fascinerande: tvärtemot alla andra kända system tenderar de inte mot oordning och kaos. Till skillnad från mynten i lådan, som blir förvirrade och bosätter sig på ungefär halva huvuden och halva svansarna, bockar de entropilagen genom att fastna i ett speciellt tidskristalltillstånd.
Med andra ord trotsar de termodynamikens andra lag, som i huvudsak definierar den riktning som alla naturliga händelser tar. Fundera på det en stund.
Sådana specialsystem är inte lätta att observera. Tidskristaller har varit ett intressant ämne sedan 2012, då Nobelprisvinnande MIT-professor Frank Wilczek började tänka på dem; och teorin har motbevisats, debatterats och motsatts många gånger sedan dess.
Flera försök har gjorts att skapa och observera tidskristaller hittills, med varierande framgång. Bara förra månaden publicerade ett team från Delft University of Technology i Nederländerna ett förtryck som visar att de hade byggt en tidskristall i en diamantprocessor, även om det var ett mindre system än det som Google hävdar.
Sökjättens forskare använde ett chip med 20 qubits för att fungera som tidskristallen – många fler, enligt von Keyserlingk, än vad som har uppnåtts fram till nu, och som kunde uppnås med en klassisk dator.
Med en bärbar dator är det ganska enkelt att simulera runt 10 qubits, förklarar von Keyserlingk. Lägg till mer än så, och gränserna för nuvarande hårdvara nås snart: varje extra qubit kräver exponentiella mängder minne.
Vetenskapsmannen slutar med att konstatera att detta nya experiment visar på kvantöverlägsenhet. “De är inte tillräckligt långt för att jag ska kunna säga att det är omöjligt att göra med en klassisk dator, för det kan finnas ett smart sätt att sätta den på en klassisk dator som jag inte har tänkt på”, säger von Keyserlingk .
“Men jag tror att detta är den överlägset mest övertygande experimentella demonstrationen av en tidskristall hittills.”
SE: Quantum computing tog precis en annan stor utmaning, en som kan vara lika hård som stål
Omfattningen och kontrollen av Googles experiment innebär att det är möjligt att titta på tidskristaller längre, göra detaljerade mätuppsättningar, variera systemets storlek och så vidare. Med andra ord är det en användbar demonstration som verkligen kan främja vetenskapen – och som sådan kan den vara nyckeln till att visa den centrala roll som kvantsimulatorer kommer att spela för att möjliggöra upptäckter inom fysik.
Det finns naturligtvis vissa varningar. Liksom alla kvantdatorer lider Googles processor fortfarande av koherens, vilket kan orsaka förfall i qubits kvanttillstånd, och innebär att tidskristallers oscillationer oundvikligen dör ut när miljön stör systemet.
Förtrycket hävdar dock att allt eftersom processorn blir mer effektivt isolerad kan denna fråga mildras.
En sak är säker: tidskristaller kommer inte att sitta i våra vardagsrum snart, för forskare har ännu inte hittat en definitiv användbar applikation för dem. Det är därför osannolikt att Googles experiment handlade om att utforska affärsvärdet av tidskristaller; den visar snarare vad som eventuellt kan vara en annan tidig tillämpning av kvantdatorer, och ännu en demonstration av företagets tekniska förmåga inom ett omstritt nytt utvecklingsområde.
Hårdvara
Lenovos X1 Titanium Yoga är den tunnaste någonsin ThinkPad Intels flaggskepp Rocket Lake-S-processorer ger en stor prestandaökning HP uppdaterar hemmakontor med Elite Dragonfly G2 och Folio headlining Bästa säkerhetsnycklar år 2021 Dell lanserar bildskärmar, Latitude, OptiPlex, Precision -enheter som riktar sig till arbetets nya normala
Relaterade ämnen:
Google -datorservrar Lagringsnätverksdatacenter 