kozmos.hr
Znanost

Fizičari sa Stanforda stvaraju vremenske kristale pomoću kvantnih računala

Izvor: Pixabay.com.
objavljeno

U istraživanju objavljenom 30. studenog u časopisu Nature, tim znanstvenika sa Sveučilišta Stanford, Google Quantum AI-a, Max Planck Instituta za fiziku složenih sustava i Sveučilišta Oxford, detaljno opisuje stvaranje vremenskog kristala koristeći Googleov hardver za kvantno računanje Sycamore.

Kvantno računalo stvara nove faze materije

Postoji ogroman napor u svijetu da se konačno konstruira računalo sposobno iskoristiti moć kvantne fizike. Iako ogromne tehnološke prepreke još uvijek stoje na putu stvaranja takvog kvantnog računala, današnji prototipovi sposobni su za izvanredne pothvate poput stvaranja nove faze materije tkz. vremenskih kristala.

“Razmišljamo o kvantnim računalima budućnosti kao o složenim kvantnim sustavima samima po sebi”, rekao je Matteo Ippoliti, postdoktorski znanstvenik na Stanfordu i suradnik autora djela. “Umjesto mehaničkih kalkukacija, postavljamo računalo kao novu eksperimentalnu platformu za realizaciju i otkrivanje novih faza materije.”

“Vremenski kristali su upečatljiv primjer nove vrste neravnotežne kvantne faze materije”, rekla je Vedika Khemani, docentica fizike na Stanfordu i viši autor rada. “Dok se velik dio našeg razumijevanja fizike kondenzirane tvari temelji na ravnotežnim sustavima, ovi novi kvantni uređaji pružaju nam fascinantan prozor u nove neravnotežne režime u fizici više tijela.”

Vremenski kristali

Baš kao što se struktura kristala ponavlja u prostoru, vremenski kristal se ponavlja u vremenu i čini to beskonačno i bez ikakvog daljnjeg unosa energije, poput sata koji radi beskonačno bez baterije.

Osnovni sastojak za izradu vremenskog kristala jest Isingov model, dugogodišnji alat za razumijevanje različitih fizičkih fenomena (uključujući fazne prijelaze i magnetizam) koji se sastoji od rešetke u kojoj je svaki utor zauzet česticom koja može biti u dva stanja; spin prema gore ili spin prema dolje.

Tijekom diplomskog studija, Khemani, njezin doktorski savjetnik Shivaji Sondhi, tada na Sveučilištu Princeton te Achilleas Lazarides i Roderich Moessner s Max Planck Instituta za fiziku složenih sustava, igrom slučaja naletjeli su na recept za izradu vremenskih kristala. Proučavali su neravnotežne lokalizirane sustave s više tijela odnosno sustave u kojima se čestice “zaglave” u početnom stanju i nikada ne mogu doći do ravnotežnog stanja. Zanimalo ih je istraživanje faza koje bi se mogle razviti u takvim sustavima ako bi ih povremeno gađali laserom. Ne samo da su uspjeli pronaći stabilne neravnotežne faze, već su pronašli i onu u kojoj spinovi čestica imaju beskonačno ponavljajuće uzorke, stvarajući time vremenski kristal.

Periodični udar lasera uspostavlja specifičan ritam. Obično bi se “ples” okretaja trebao uskladiti s ovim ritmom, ali u vremenskom kristalu to nije slučaj. Umjesto toga, spinovi se okreću između dva stanja, dovršavajući ciklus tek nakon što ih laser dvaput udari. To znači da je “simetrija vremenske translacije” sustava narušena. Simetrije igraju temeljnu ulogu u fizici i često su narušene – objašnjavajući podrijetlo pravilnih kristala, magneta i mnogih drugih fenomena; međutim, simetrija vremenske translacije se ističe jer se za razliku od drugih simetrija ne može prekinuti u ravnoteži. Periodični udarac je rupa koja omogućuje kristale vremena.

Udvostručenje perioda osciliranja je neobično, ali nije bez presedana. Dugovječne oscilacije također su vrlo česte u kvantnoj dinamici sustava s nekoliko čestica. Ono što vremenski kristal čini jedinstvenim je to što se radi o sustavu od milijuna stvari koje pokazuju ovakvo usklađeno ponašanje bez ikakve ulazne ili izlazne energije.

Prostor-vremenski kristali rješavaju desetljećima staru dilemu

Robusna faza materije

“To je potpuno robusna faza materije, u kojoj ne podešavate parametre ili stanja, ali se i dalje radi o kvantnom sustavu”, rekao je Sondhi, profesor fizike na Oxfordu i koautor rada. “Nema napajanja energijom, nema odvoda energije, traje zauvijek i uključuje mnoge čestice u snažnoj interakciji.”

Iako ovo može zvučati blisko ideji perpetuum mobile, vremenski kristali ne krše nikakve zakone fizike. Entropija ostaje stacionarna tijekom vremena, marginalno zadovoljavajući drugi zakon termodinamike tako što se ne smanjuje.

Za Khemani i njezine suradnike, posljednji korak bio je rad s timom u Google Quantum AI. Koristili su Googleov hardver za kvantno računanje Sycamore kako bi isprogramirali 20 spinova koristeći kubite, kvantnu verziju informacija na klasičnom računalu.

Kvantno računalo

Istraživači su uspjeli potvrditi svoje rezultate pomoću kvantnog računala. Iako su konačna veličina i vrijeme koherencije kvantnog uređaja značili da je njihov eksperiment bio ograničen veličinom i trajanjem – tako da su se vremenske kristalne oscilacije mogle promatrati samo nekoliko stotina ciklusa, a ne beskonačno – istraživači su osmislili različite protokole za procjenju stabilnosti njihovog kristala. To je uključivalo pokretanje simulacije naprijed i nazad u vremenu te skaliranje njezine veličine.

“Uspjeli smo upotrijebiti svestranost kvantnog računala kako bi analizirali njegova ograničenja”, rekao je Moessner, koautor rada i direktor Instituta Max Planck za fiziku složenih sustava. “U suštini nam je rekao kako da ispravimo vlastite pogreške, tako da se trag idealnog vremensko-kristalnog ponašanja može utvrditi iz promatranja koje ne traje beskonačno.”

Ključni potpis idealnog vremenskog kristala jest neograničena oscilacija iz svih stanja. Provjera ove robusnosti na izbora stanja bila je ključni eksperimentalni izazov, a istraživači su osmislili protokol za ispitivanje više od milijun stanja njihovog vremenskog kristala u samo jednom pokretanju stroja što je zahtijevalo tek milisekunde vremena rada. Ovo je poput gledanja fizičkog kristala iz mnogih kutova kako bi se provjerila njegova ponavljajuća struktura.

“Jedinstvena značajka našeg kvantnog procesora je njegova sposobnost stvaranja vrlo složenih kvantnih stanja”, rekao je Xiao Mi, istraživač u Googleu i suradnik u radu. “Ova stanja omogućuju učinkovitu provjeru faznih struktura materije bez potrebe za istraživanjem cijelog računskog prostora – inače nerješiv zadatak.”

“Optimističan sam prema ideji da s više boljih kubita, naš pristup može postati glavna metoda u proučavanju neravnotežne dinamike”, rekao je Pedram Roushan, istraživač u Googleu i mentor rada.

“Mislimo da je trenutno najzanimljivija upotreba kvantnih računala upravo kao platforme za temeljnu kvantnu fiziku”, rekao je Ippoliti. “S jedinstvenim mogućnostima ovih sustava, postoji nada da bismo mogli otkriti neki novi fenomen koji nismo predvidjeli.”

Tim znanstvenika slučajno stvorio prvi warp balon na svijetu

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Mi, X., Ippoliti, M., Quintana, C. et al. Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w

Kubota T. (30. studenog 2021.) Stanford physicists help create time crystals with quantum computers, News.stanford.edu (pristup 22. prosinca 2021.)

Ja sam Matija Klarić.
Student sam Ekonomskog fakulteta, a u slobodno se vrijeme bavim volonterstvom te istraživanjem, čitanjem i pisanjem o mojim omiljenim temama; svemiru, astronomiji, astrofizici i tehnologiji.