Фізики з Австралії запрограмували квантовий комп’ютер створити — або, принаймні, змоделювати – кристал часу рекордного розміру – систему квантових частинок, яка замикається на вічний цикл у часі.
Новий кристал часу складається з 57 квантових частинок, що більш ніж в два рази перевищує розмір кристала часу з 20 частинок, змодельованого торік вченими з Google. За словами Четана Наяка, фізик з конденсованих середовищ в Microsoft, він настільки великий, що жоден звичайний комп’ютер не може його змоделювати. Наяк підкреслив, що це видатне досягнення.
Робота показує здатність квантових комп’ютерів моделювати складні системи, які в іншому випадку могли б існувати тільки в теоріях фізиків.
Ідея кристала часу виникла 10 років тому, коли франк Вільчек, лауреат Нобелівської премії з фізик-теоретик з Массачусетського технологічного інституту, розмірковував про вражаюче просторове розташування атомів у звичайному кристалі. Візерунок явно не визначається рівняннями для сил між атомами, які, здавалося б, дозволяють будь-якому атому перебувати де завгодно з рівною ймовірністю. Швидше за все, він виникає спонтанно, якщо атоми досить охолоджуються. Як тільки кілька атомів притискаються один до одного, положення наступного стає передбачуваним, і виникає закономірність, яка тільки мається на увазі в силах.
Вільчек задавався питанням, чи може статися щось подібне з часом. Він уявив собі систему квантових частинок, що взаємодіють через сили, які не змінюються в часі, яким якимось чином вдається виконувати деяку циклічну еволюцію навіть у найнижчому енергетичному стані. Це виявилося неможливим. Однак у 2016 році дві різні групи вчених знову звернулися до цього припущення, розглянувши систему, яка неодноразово піддавалася впливу будь-якого зовнішнього стимулу. Вони виявили, що при правильних умовах вона може зафіксуватися в схемі змін з плином часу, яка повторюється з іншого, більш низькою частотою, ніж стимул. Ця нижча частотна характеристика є типовою рисою кристала часу.
- Оптоволокно, яке імплантується, використовують для блокування і дослідження болю
- Помідори і картопля містять активні речовини, здатні знищувати ракові клітини
Система складається з ланцюжка крихітних квантово-механічних магнітів, які можуть вказувати вгору, вниз або, враховуючи дивні правила квантової механіки, в обидві сторони одночасно. У ланцюжку сусідні магніти мають тенденцію орієнтуватися в протилежних напрямках, щоб знизити свою енергію, в той час, як випадково вибране локальне магнітне поле змушує кожен магніт схилятися більше в ту чи іншу сторону. Постійний потік магнітних імпульсів також періодично перевертає магніти вгору вниз і навпаки. Ідея полягає в тому, що при правильних умовах будь-яка конфігурація магнітів буде перевертатися знову і знову, один раз на кожні два імпульси. Експериментатори продемонстрували цей процес у різноманітних системах, від електронів у алмазі до іонів, що потрапили в пастку, до квантових бітів або кубітів у квантовому комп’ютері.
Філіп Фрей і Стефан Рейчел, теоретики з Мельбурнського університету, припустили набагато більш масштабну демонстрацію кубітів. Вони виконували моделювання віддалено, використовуючи квантові комп’ютери, створені та керовані IBM у Сполучених Штатах. Кубіти, які можуть бути встановлені на 0 і 1 або 1 і 0 одночасно, можна запрограмувати так, щоб вони взаємодіяли як магніти. Дослідники виявили, що при певних налаштуваннях їх взаємодії будь-яка початкова настройка 57 кубітів, наприклад 01101101110… – залишається стабільною, повертаючись у початковий стан кожні два імпульси.
«На перший погляд, це спостереження може здатися трохи приголомшливим. Зрештою, якби магніти не взаємодіяли, кожен імпульс перевертав би їх на 180°, створюючи саме таку характеристику. Однак те, що робить систему кристалом часу, — це те, як взаємодії між магнітами стабілізують структуру», — пояснив Домінік Елс, теоретик конденсованого стану з Гарвардського університету.
За його словами, це робить систему несприйнятливою до імпульсів, які недостатньо довгі, щоб повністю перевернути спини.
“Насправді це фаза матерії, стабілізована багатьма взаємодіями тіл”, – зазначив Елс.
- У глибинах Каліфорнійської затоки риби можуть жити без кисню
- З моря можна привезти паразита-амебу, яка “виїсть” мозок
Стефан Райчел зазначив, що просто збільшити силу взаємодії магнітів недостатньо: взаємодії також повинні випадковим чином варіюватися від однієї пари сусідів до іншої.
«Якщо всі магніти взаємодіють з однаковою силою, то, якщо один магніт вийде з ладу, це може привести до того, що інші в ланцюжку теж перекинуться неправильно. Випадковість насправді запобігає поширенню таких помилок і стабілізує кристал часу”, – розповів Рейчел.
Хоча понад 100 дослідників працювали над моделюванням Google, Фрей і Рейчел працювали самостійно.
“Там були тільки я, мій аспірант і ноутбук”, – зазначив Рейчел.
За його словами, робота на проєктом зайняла близько 6 місяців.