Abstract Time Crystal Concept 2
Thông tin công nghệ

Stanford và Google hợp tác để tạo ra tinh thể thời gian bằng máy tính lượng tử

Abstract Time Crystal Concept

Một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu từ Stanford và Google đã tạo ra và quan sát một giai đoạn mới của vật chất, thường được gọi là tinh thể thời gian.

Có một nỗ lực toàn cầu to lớn nhằm tạo ra một chiếc máy tính có khả năng khai thác sức mạnh của vật lý lượng tử để thực hiện các phép tính phức tạp chưa từng có. Trong khi những trở ngại công nghệ ghê gớm vẫn cản trở việc tạo ra một máy tính lượng tử như vậy, thì những nguyên mẫu ban đầu ngày nay vẫn có khả năng tạo ra những kỳ tích đáng nể.

Ví dụ, việc tạo ra một giai đoạn mới của vật chất được gọi là “tinh thể thời gian”. Giống như cấu trúc của một tinh thể lặp lại trong không gian, một tinh thể thời gian lặp lại theo thời gian và quan trọng là nó hoạt động vô hạn và không cần thêm bất kỳ nguồn năng lượng nào – giống như một chiếc đồng hồ chạy mãi mãi mà không cần pin. Nhiệm vụ nhận ra giai đoạn này của vật chất đã là một thách thức lâu dài trong lý thuyết và thực nghiệm – một thách thức cuối cùng đã thành hiện thực.

Trong nghiên cứu được công bố vào ngày 30 tháng 11 năm 2021, trên tạp chí Nature , một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Stanford, Google Quantum AI, Viện Max Planck về Vật lý Hệ thống Phức tạp và Đại học Oxford đã trình bày chi tiết về việc tạo ra tinh thể thời gian bằng cách sử dụng máy tính lượng tử Sycamore của Google. phần cứng.

Con chip Google Sycamore được sử dụng để tạo ra tinh thể thời gian. Tín dụng: Google Quantum AI

Matteo Ippoliti, một học giả sau tiến sĩ tại Stanford và đồng tác giả chính cho biết: “Bức tranh lớn là chúng ta đang coi các thiết bị được coi là máy tính lượng tử của tương lai và nghĩ về chúng như những hệ thống lượng tử phức tạp. của công việc. “Thay vì tính toán, chúng tôi đang đưa máy tính hoạt động như một nền tảng thử nghiệm mới để nhận ra và phát hiện các giai đoạn mới của vật chất”.

Đối với nhóm, niềm phấn khích về thành tựu của họ không chỉ nằm ở việc tạo ra một giai đoạn mới của vật chất mà còn mở ra cơ hội khám phá các chế độ mới trong lĩnh vực vật lý vật chất cô đặc của họ, nghiên cứu các hiện tượng và tính chất mới lạ do các tương tác tập thể của nhiều đối tượng trong một hệ thống. (Các tương tác như vậy có thể phong phú hơn nhiều so với các thuộc tính của các đối tượng riêng lẻ.)

Vedika Khemani, phó giáo sư vật lý tại Stanford và là tác giả cao cấp của bài báo cho biết: “Tinh thể thời gian là một ví dụ nổi bật về một loại pha lượng tử không cân bằng mới của vật chất. “Trong khi phần lớn hiểu biết của chúng ta về vật lý vật chất cô đặc dựa trên các hệ thống cân bằng, các thiết bị lượng tử mới này đang cung cấp cho chúng ta một cơ hội hấp dẫn về các chế độ phi cân bằng mới trong vật lý nhiều cơ thể”.

Tinh thể thời gian là gì và không phải là gì

Các thành phần cơ bản để tạo ra tinh thể thời gian này như sau: Vật lý tương đương với ruồi giấm và thứ gì đó để tạo ra một cú hích cho nó. Con ruồi của vật lý là mô hình Ising, một công cụ lâu đời để hiểu các hiện tượng vật lý khác nhau – bao gồm chuyển pha và từ tính – bao gồm một mạng tinh thể trong đó mỗi vị trí được chiếm giữ bởi một hạt có thể ở hai trạng thái, được biểu thị dưới dạng spin lên hoặc xuống.

Trong những năm học sau đại học, Khemani, cố vấn tiến sĩ của cô là Shivaji Sondhi, sau đó tại Đại học Princeton , và Achilleas Lazarides và Roderich Moessner tại Viện Vật lý Hệ thống phức hợp Max Planck đã vô tình phát hiện ra công thức tạo ra tinh thể thời gian này. Họ đang nghiên cứu các hệ thống cục bộ nhiều cơ thể không cân bằng – hệ thống mà các hạt bị “mắc kẹt” ở trạng thái mà chúng bắt đầu và không bao giờ có thể thư giãn đến trạng thái cân bằng. Họ quan tâm đến việc khám phá các giai đoạn có thể phát triển trong các hệ thống như vậy khi chúng bị tia laser “đá” định kỳ. Họ không chỉ quản lý để tìm ra các pha không cân bằng ổn định, họ còn tìm thấy một nơi mà các vòng quay của các hạt chuyển động giữa các mô hình lặp lại trong thời gian vĩnh viễn, ở một chu kỳ gấp đôi chu kỳ phát động của tia laser, do đó tạo ra một tinh thể thời gian.

Quang cảnh tủ lạnh pha loãng của Google, nơi chứa chip Sycamore. Tín dụng: Google Quantum AI

Cú đá tuần hoàn của tia laser thiết lập một nhịp điệu cụ thể cho động lực học. Thông thường, “vũ điệu” của các vòng quay phải đồng bộ với nhịp điệu này, nhưng trong tinh thể thời gian thì không. Thay vào đó, các vòng quay chuyển đổi giữa hai trạng thái, hoàn thành một chu kỳ chỉ sau khi bị tia laser đá hai lần . Điều này có nghĩa là “đối xứng dịch thời gian” của hệ thống bị phá vỡ. Đối xứng đóng một vai trò cơ bản trong vật lý, và chúng thường bị phá vỡ – giải thích nguồn gốc của các tinh thể thông thường, nam châm và nhiều hiện tượng khác; tuy nhiên, đối xứng tịnh tiến theo thời gian nổi bật vì không giống như các đối xứng khác, nó không thể bị phá vỡ ở trạng thái cân bằng. Cú hích tuần hoàn là kẽ hở khiến tinh thể thời gian có thể tồn tại.

Sự tăng gấp đôi của chu kỳ dao động là bất thường, nhưng không phải là chưa từng xảy ra. Và các dao động tồn tại lâu dài cũng rất phổ biến trong động lực học lượng tử của các hệ ít hạt. Điều làm cho một tinh thể thời gian trở nên độc đáo là đó là một hệ thống gồm hàng triệu thứ đang thể hiện loại hành vi phối hợp này mà không có bất kỳ năng lượng nào đi vào hoặc rò rỉ ra ngoài.

Sondhi, giáo sư vật lý tại Oxford và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Đó là một giai đoạn hoàn toàn mạnh mẽ của vật chất, nơi bạn không phải tinh chỉnh các thông số hoặc trạng thái nhưng hệ thống của bạn vẫn là lượng tử. “Không có nguồn cung cấp năng lượng, không có sự tiêu hao năng lượng, và nó tiếp tục diễn ra mãi mãi và nó bao gồm nhiều hạt tương tác mạnh.”

Mặc dù điều này nghe có vẻ gần giống với “cỗ máy chuyển động vĩnh viễn” một cách đáng ngờ, nhưng nếu quan sát kỹ hơn sẽ thấy rằng các tinh thể thời gian không phá vỡ bất kỳ định luật vật lý nào. Entropy – một đại lượng đo độ rối loạn trong hệ thống – vẫn đứng yên theo thời gian, thỏa mãn một chút định luật thứ hai của nhiệt động lực học bằng cách không giảm.

Giữa sự phát triển của kế hoạch này cho một tinh thể thời gian và thí nghiệm máy tính lượng tử đưa nó thành hiện thực, nhiều thí nghiệm của nhiều nhóm nhà nghiên cứu khác nhau đã đạt được các cột mốc thời gian gần như tinh thể khác nhau. Tuy nhiên, việc cung cấp tất cả các thành phần trong công thức để “bản địa hóa nhiều cơ thể” (hiện tượng tạo ra tinh thể thời gian ổn định vô hạn) vẫn là một thách thức lớn.

Đối với Khemani và các cộng tác viên của cô ấy, bước cuối cùng để đạt được thành công như pha lê là làm việc với một nhóm tại Google Quantum AI. Cùng với nhau, nhóm này đã sử dụng phần cứng điện toán lượng tử Sycamore của Google để lập trình 20 “vòng quay” bằng cách sử dụng phiên bản lượng tử của các bit thông tin của máy tính cổ điển, được gọi là qubit.

Tiết lộ mức độ quan tâm đến tinh thể thời gian hiện nay, một tinh thể thời gian khác đã được công bố trên tạp chí Science tháng này. Tinh thể đó được tạo ra bằng cách sử dụng qubit trong một viên kim cương bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan.

Cơ hội lượng tử

Các nhà nghiên cứu đã có thể xác nhận tuyên bố của họ về một tinh thể thời gian thực sự nhờ vào khả năng đặc biệt của máy tính lượng tử. Mặc dù kích thước hữu hạn và thời gian gắn kết của thiết bị lượng tử (không hoàn hảo) có nghĩa là thí nghiệm của họ bị giới hạn về kích thước và thời lượng – do đó các dao động tinh thể thời gian chỉ có thể được quan sát trong vài trăm chu kỳ chứ không phải là vô hạn – các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra nhiều giao thức khác nhau cho đánh giá tính ổn định của việc tạo ra chúng. Chúng bao gồm việc chạy mô phỏng tiến và lùi theo thời gian và mở rộng kích thước của nó.

Moessner, đồng tác giả của bài báo và là giám đốc tại Viện Vật lý Hệ phức hợp Max Planck cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng tính linh hoạt của máy tính lượng tử để giúp chúng tôi phân tích những hạn chế của chính nó. “Về cơ bản, nó cho chúng tôi biết cách sửa chữa các lỗi của chính nó, để dấu vết của hành vi kết tinh thời gian lý tưởng có thể được xác định từ các quan sát thời gian hữu hạn.”

Một đặc điểm quan trọng của một tinh thể thời gian lý tưởng là nó thể hiện các dao động vô định từ tất cả các trạng thái. Việc xác minh độ chắc chắn này đối với sự lựa chọn các trạng thái là một thách thức thực nghiệm quan trọng và các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một giao thức để thăm dò hơn một triệu trạng thái của tinh thể thời gian của chúng chỉ trong một lần chạy máy, chỉ cần thời gian chạy là mili giây. Điều này giống như việc xem một tinh thể vật lý từ nhiều góc độ để xác minh cấu trúc lặp đi lặp lại của nó.

“Một tính năng độc đáo của bộ xử lý lượng tử của chúng tôi là khả năng tạo ra các trạng thái lượng tử rất phức tạp,” Xiao Mi, một nhà nghiên cứu tại Google và đồng tác giả của bài báo cho biết. “Những trạng thái này cho phép các cấu trúc pha của vật chất được xác minh một cách hiệu quả mà không cần phải điều tra toàn bộ không gian tính toán – một nhiệm vụ khó thực hiện”.

Không nghi ngờ gì nữa, việc tạo ra một giai đoạn mới của vật chất là thú vị ở cấp độ cơ bản. Ngoài ra, việc các nhà nghiên cứu này có thể làm được điều đó cho thấy tính hữu dụng ngày càng tăng của máy tính lượng tử đối với các ứng dụng khác ngoài máy tính. “Tôi lạc quan rằng với ngày càng nhiều qubit tốt hơn, cách tiếp cận của chúng tôi có thể trở thành một phương pháp chính để nghiên cứu các động lực học không cân bằng,” Pedram Roushan, nhà nghiên cứu tại Google và là tác giả cấp cao của bài báo cho biết.

Ippoliti cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng việc sử dụng thú vị nhất đối với máy tính lượng tử hiện nay là làm nền tảng cho vật lý lượng tử cơ bản. “Với những khả năng độc đáo của những hệ thống này, có thể hy vọng rằng bạn có thể khám phá ra một số hiện tượng mới mà bạn chưa dự đoán được”.

Tham khảo: “Thứ tự tinh thể thời gian trên bộ xử lý lượng tử” của Xiao Mi, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Ami Greene, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arute, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Joseph C. Bardin, Joao Basso, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexandre Bourassa, Leon Brill, Michael Broughton, Bob B. Buckley, David A. Buell, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Benjamin Chiaro, Roberto Collins, William Courtney, Dripto Debroy, Sean Demura, Alan R Derk, Andrew Dunsworth, Daniel Eppens, Catherine Erickson, Edward Farhi, Austin G. Fowler, Brooks Foxen, Craig Gidney, Marissa Giustina, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Jeremy Hilton, Alan Ho, Sabrina Hong, Trent Huang , Ashley Huff, William J. Huggins, LB Ioffe, Sergei V. Isakov, Justin Iveland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Kafri, Tanuj Khattar, Seon Kim, Alexei Kitaev, Paul V. Klimov, Alexander N. Korotkov , Fedor Kostritsa, David Landhuis, Pavel Laptev, Joonho Lee, Kenny Lee, Aditya Locharl a, Erik Lucero, Orion Martin, Jarrod R. McClean, Trevor McCourt, Matt McEwen, Kevin C. Miao, Masoud Mohseni, Shirin Montazeri, Wojciech Mruczkiewicz, Ofer Naaman, Matthew Neeley, Charles Neill, Michael Newman, Murphy Yuezhen Niu, Thomas E. O’Brien, Alex Opremcak, Eric Ostby, Balint Pato, Andre Petukhov, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vladimir Shvarts, Yuan Su, Doug Strain, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga , Theodore White, Z. Jamie Yao, Ping Yeh, Juhwan Yoo, Adam Zalcman, Hartmut Neven, Sergio Boixo, Vadim Smelyanskiy, Anthony Megrant, Julian Kelly, Yu Chen, SL Sondhi, Roderich Moessner, Kostyantyn Kechedzhi, Vedika Khemani và Pedram Roushan , Ngày 30 tháng 11 năm 2021,Thiên nhiên.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w

Công trình này được dẫn dắt bởi Đại học Stanford, Google Quantum AI, Viện Max Planck về Vật lý Hệ thống Phức tạp và Đại học Oxford. Danh sách tác giả đầy đủ có trên tờ Nature .

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Nâng cao Quốc phòng ( DARPA ), Giải thưởng Nghiên cứu của Google, Quỹ Sloan, Quỹ Gordon và Betty Moore và Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.