Новый кристалл времени состоит из 57 квантовых частиц, что более чем в два раза превышает размер кристалла времени из 20 частиц, смоделированного в прошлом году учеными из Google. По словам Четана Наяка, специалист по конденсированным средам в Microsoft, он настолько велик, что ни один обычный компьютер не может его смоделировать. Наяк подчеркнул, что это выдающееся достижение.
Работа показывает способность квантовых компьютеров моделировать сложные системы, которые в противном случае могли бы существовать только в теориях физиков.
Идея кристалла времени возникла 10 лет назад, когда Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике — теоретик из Массачусетского технологического института, размышлял о поразительном пространственном расположении атомов в обычном кристалле. Узор явно не определяется уравнениями для сил между атомами, которые, казалось бы, позволяют любому атому находиться где угодно с равной вероятностью. Скорее всего, он возникает спонтанно, если атомы достаточно охлаждаются. Как только несколько атомов прижимаются друг к другу, положение следующего становится предсказуемым, и возникает закономерность, которая только подразумевается в силах.
Вильчек задавался вопросом, может ли произойти что-то подобное со временем. Он представил себе систему квантовых частиц, взаимодействующих через силы, не изменяющиеся во времени, которым каким-то образом удается выполнять некоторую циклическую эволюцию даже в самом низком энергетическом состоянии. Это оказалось невозможным. Однако в 2016 году две разные группы ученых вновь обратились к этому предположению, рассмотрев систему, неоднократно подвергавшуюся воздействию какого-либо внешнего стимула. Они обнаружили, что при правильных условиях система может зафиксироваться в схеме изменений с течением времени, которая повторяется с другой, более низкой частотой, чем стимул. Эта более низкая частотная характеристика является типичной чертой кристалла времени.
Система состоит из цепочки крошечных квантово-механических магнитов, которые могут указывать вверх, вниз или, учитывая странные правила квантовой механики, в обе стороны одновременно. В цепочке соседние магниты имеют тенденцию ориентироваться в противоположных направлениях, чтобы снизить свою энергию, в то время как случайно выбранное локальное магнитное поле заставляет каждый магнит склоняться больше в ту или иную сторону. Постоянный поток магнитных импульсов также периодически переворачивает магниты вверх вниз и наоборот. Идея состоит в том, что при правильных условиях любая конфигурация магнитов будет переворачиваться снова и снова, один раз на каждые два импульса. Экспериментаторы продемонстрировали этот процесс в самых разных системах: от электронов в алмазе до ионов, пойманных в ловушку, до квантовых битов или кубитов в квантовом компьютере.
Филипп Фрей и Стефан Рэйчел, теоретики из Мельбурнского университета, предположили гораздо более масштабную демонстрацию кубитов. Они выполнили моделирование удаленно, используя квантовые компьютеры, созданные и управляемые IBM в Соединенных Штатах. Кубиты, которые могут быть установлены на 0 и 1 или 1 и 0 одновременно, можно запрограммировать так, чтобы они взаимодействовали как магниты. Исследователи обнаружили, что при определенных настройках их взаимодействия любая начальная настройка 57 кубитов, например 01101101110… — остается стабильной, возвращаясь в исходное состояние каждые два импульса.
«На первый взгляд, это наблюдение может показаться немного ошеломляющим. В конце концов, если бы магниты не взаимодействовали, каждый импульс переворачивал бы их на 180°, создавая именно такую получастотную характеристику. Однако то, что делает систему кристаллом времени, — это то, как взаимодействия между магнитами стабилизируют структуру», — объяснил Доминик Элс, теоретик конденсированного состояния из Гарвардского университета.
По его словам, это делает систему невосприимчивой к импульсам, которые недостаточно длинны, чтобы полностью перевернуть спины.
«На самом деле это фаза материи, стабилизированная многими взаимодействиями тел», — отметил Элс.
Стефан Райчел отметил, что просто увеличить силу взаимодействия магнитов недостаточно: взаимодействия также должны случайным образом варьироваться от одной пары соседей к другой.
«Если все магниты взаимодействуют с одинаковой силой, то, если один магнит выйдет из строя, это может привести к тому, что другие в цепочке тоже перевернутся неправильно. Случайность на самом деле предотвращает распространение таких ошибок и стабилизирует кристалл времени», — рассказал Рэйчел.
В то время как более 100 исследователей работали над симуляцией Google, Фрей и Рэйчел работали в одиночку.
«Там были только я, мой аспирант и ноутбук», — отметил Рэйчел.
По его словам, работа на проектом заняла около 6 месяцев.
Читать далее:
Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида
Разработано экологически чистое топливо на основе диоксида углерода