Googles forskere siger nu ret spændende, at deres resultater etablerer en” skalerbar tilgang “til at studere tidskrystaller på nuværende kvanteprocessorer.
Af Marko Aliaksandr/Shutterstock
I et nyt forskningsoplæg hævder Google -forskere at have brugt en kvanteprocessor til en nyttig videnskabelig anvendelse: at observere en ægte tidskrystal.
Hvis 'time crystal' lyder temmelig sci-fi, er det fordi de er det. Tidskrystaller er ikke mindre end en ny “fase af stof”, som forskere udtrykte det, som i nogle år nu er blevet teoretiseret som en ny tilstand, der potentielt kan slutte sig til rækker af faste stoffer, væsker, gasser, krystaller og så videre. Papiret forbliver i fortryk og kræver stadig peer review.
Tidskrystaller er også svære at finde. Men Googles forskere siger nu ret spændende, at deres resultater etablerer en “skalerbar tilgang” til at studere tidskrystaller på nuværende kvanteprocessorer.
SE: Hvad er kvanteberegning? Alt hvad du behøver at vide om kvantecomputers mærkelige verden
At forstå, hvorfor tidskrystaller er interessante, kræver en lille smule baggrund i fysik – især kendskab til termodynamikkens anden lov, der siger, at systemer naturligt har en tendens til et arrangement med den lavest mulige energi, også kendt som termisk ligevægt. Derfor smelter en isterning f.eks. I et glas vand ved stuetemperatur.
Denne uimodståelige drivkraft mod termisk ligevægt, som beskrevet i termodynamikkens anden lov, afspejler det faktum, at alle ting har en tendens til at bevæge sig mod mindre nyttige, tilfældige tilstande. Som tiden går, degenererer systemer uundgåeligt til kaos og uorden, en forestilling, der er kendt som entropi.
Tidskrystaller kan derimod ikke slå sig ned i termisk ligevægt. I stedet for langsomt at degenerere mod tilfældighed, sætter de sig fast i to højenergikonfigurationer, som de skifter mellem-og denne frem og tilbage-proces kan fortsætte for evigt, i hvad forskere beskriver som “evig bevægelse”.
For at forklare dette bedre trækker Curt von Keyserlingk, underviser på fysik- og astronomiskolen ved University of Birmingham, der ikke deltog i Googles seneste eksperiment, nogle dias fra en indledende tale med potentielle bachelorstuderende. “De foregiver normalt at forstå, så det kan være nyttigt,” advarer von Keyserlingk ZDNet.
Det starter med et tankeeksperiment: Tag en kasse i et lukket system, der er isoleret fra resten af universet, lad det med et par snesevis af mønter og ryst det en million gange. Når mønterne hopper af hinanden, flytter de tilfældigt positioner og bliver i stigende grad mere kaotiske. Når du åbner kassen, er forventningen, at du vil blive konfronteret med omtrent halvdelen af mønterne på hovedets side og halvdelen på deres haler.
Det er ligegyldigt, om eksperimentet startede med flere mønter på halen eller flere mønter på hovedet: systemet glemmer, hvad den oprindelige konfiguration var, og det bliver mere og mere tilfældigt og kaotisk, når det rystes.
Dette lukkede system, når det er oversat til kvanteområdet, er den perfekte ramme til at prøve at finde tidskrystaller, og det eneste, der er kendt til dato. “De eneste stabile tidskrystaller, vi har forestillet os i lukkede systemer, er kvantemekaniske,” siger von Keyserlingk.
Indtast Googles kvanteprocessor, Sycamore, som er kendt for at have opnået kvanteoverlegenhed og nu leder efter en slags nyttig applikation til kvanteberegning.
En kvanteprocessor er pr. Definition et perfekt værktøj til at replikere et kvantemekanisk system. I dette scenario repræsenterede Googles team mønterne i kassen med qubits, der snurrede opad og nedad i et lukket system; og i stedet for at ryste boksen anvendte de et sæt specifikke kvanteoperationer, der kan ændre qubits tilstand, som de gentog mange gange.
Det er her, tidskrystaller trodser alle forventninger. Når man ser på systemet efter et bestemt antal operationer eller rystelser, afsløres en konfiguration af qubits, der ikke er tilfældig, men derimod ligner snarere den oprindelige opsætning.
“Den første ingrediens, der udgør en tidskrystal, er, at den husker, hvad den lavede i starten. Den glemmer ikke,” siger von Keyserlingk. “Coin-in-a-box-systemet glemmer, men et tidskrystal-system gør det ikke.”
Det stopper ikke her. Ryst systemet et lige antal gange, og du får en lignende konfiguration som den originale – men ryst det et ulige antal gange, og du får et andet opsætning, hvor haler er blevet vendt til hoveder og vice -versa.
Og uanset hvor mange operationer der udføres på systemet, vil det altid vippe, regelmæssigt frem og tilbage mellem de to stater.
Forskere kalder dette et brud i tidens symmetri – derfor kaldes tidskrystaller sådan. Dette skyldes, at den handling, der udføres for at stimulere systemet, altid er den samme, og alligevel kommer responsen kun hver anden rysten.
“I Google -eksperimentet udfører de et sæt operationer på denne kæde af spins, så gør de nøjagtig det samme igen og igen. De gør det samme ved det hundrede trin, som de gør på det millionste trin, hvis de går så langt, «siger von Keyserlingk.
“Så de udsætter systemet for et sæt betingelser, der har symmetri, og alligevel reagerer systemet på en måde, der bryder den symmetri. Det er det samme hver anden periode i stedet for hver periode. Det er det, der gør det bogstaveligt talt en tidskrystal. ”
SE: Større kvantecomputere, hurtigere: Denne nye idé kan være den hurtigste vej til apps i den virkelige verden
Tidskrystallers adfærd, fra et videnskabeligt perspektiv, er fascinerende: I modsætning til alle andre kendte systemer har de ikke tendens til uorden og kaos. I modsætning til mønterne i kassen, som bliver forvirrede og sætter sig på omtrent halvt hoved og halve haler, bukker de entropiloven ved at sidde fast i en speciel tidskrystal-tilstand.
Med andre ord trodser de termodynamikkens anden lov, som i det væsentlige definerer den retning, som alle naturlige begivenheder tager. Overvej det et øjeblik.
Sådanne specialsystemer er ikke lette at observere. Tidskrystaller har været et emne af interesse siden 2012, da Nobelprisvindende MIT-professor Frank Wilczek begyndte at tænke på dem; og teorien er blevet tilbagevist, debatteret og modsat mange gange siden da.
Der er gjort flere forsøg på at skabe og observere tidskrystaller til dato med varierende succes. Kun i sidste måned offentliggjorde et team fra Delft University of Technology i Holland et fortryk, der viste, at de havde bygget en tidskrystal i en diamantprocessor, selv om det var et mindre system end det, Google påstod.
Søgegigantens forskere brugte en chip med 20 qubits til at tjene som tidskrystaller – mange flere, ifølge von Keyserlingk, end der er opnået indtil nu, og som kunne opnås med en klassisk computer.
Ved hjælp af en bærbar computer er det ret let at simulere omkring 10 qubits, forklarer von Keyserlingk. Tilføj mere end det, og grænserne for nuværende hardware er snart nået: hver ekstra qubit kræver eksponentielle mængder hukommelse.
Videnskabsmanden stopper med at konstatere, at dette nye eksperiment er et udtryk for kvanteoverlegenhed. “De er ikke helt langt nok til, at jeg kan sige, at det er umuligt at gøre med en klassisk computer, for der kan være en smart måde at sætte den på en klassisk computer, som jeg ikke har tænkt på,” siger von Keyserlingk .
“Men jeg synes, at dette er langt den mest overbevisende eksperimentelle demonstration af en tidskrystal til dato.”
SE: Quantum computing tog lige en anden stor udfordring, en der kunne være lige så hård som stål
Omfanget og kontrollen med Googles eksperiment betyder, at det er muligt at se på tidskrystaller længere, lave detaljerede sæt målinger, variere systemets størrelse og så videre. Med andre ord er det en nyttig demonstration, der virkelig kunne fremme videnskaben – og som sådan kan den være nøglen til at vise den centrale rolle, som kvantesimulatorer vil spille for at muliggøre opdagelser inden for fysik.
Der er selvfølgelig nogle forbehold. Som alle kvantecomputere lider Googles processor stadig af dekoherens, hvilket kan forårsage et henfald i qubits kvantetilstande, og betyder, at tidskrystalles svingninger uundgåeligt dør ud, når miljøet forstyrrer systemet.
Forudskrivningen hævder imidlertid, at efterhånden som processoren bliver mere effektivt isoleret, kan dette problem afhjælpes.
En ting er sikkert: Tidskrystaller vil ikke sidde i vores stuer snart, fordi forskere endnu ikke har fundet en endelig nyttig applikation til dem. Det er derfor usandsynligt, at Googles eksperiment handlede om at undersøge forretningens værdi af tidskrystaller; den viser snarere, hvad der potentielt kan være endnu en tidlig anvendelse af kvantecomputing, og endnu en demonstration af virksomhedens teknologiske dygtighed i et stærkt omstridt nyt udviklingsområde.
Hardware
Lenovos X1 Titanium Yoga er den tyndeste nogensinde ThinkPad Intels flagskib Rocket Lake-S-processorer med et stort præstationsboost, HP opdaterer line-up på hjemmekontoret med Elite Dragonfly G2 og Folio headlining Bedste sikkerhedsnøgler i 2021 Dell lancerer skærme, Latitude, OptiPlex, Precision -enheder rettet mod arbejdets nye normale
Relaterede emner:
Google -pc'ers servere Lagring Netværksdatacentre 