Para peneliti telah menciptakan fase materi baru – kristal waktu

Ada upaya global yang sangat besar untuk merekayasa komputer yang mampu memanfaatkan kekuatan fisika kuantum, dan memiliki rintangan teknis yang berat.

Tetapi prototipe komputer kuantum saat ini menunjukkan prestasi luar biasa dalam menciptakan komputer kuantum, yang akan mampu melakukan perhitungan kompleksitas yang belum pernah terjadi sebelumnya menggunakan kekuatan fisika kuantum.

Time Crystal, fase baru materi yang berulang dari waktu ke waktu. Ia melakukannya tanpa batas tanpa masukan energi lainnya. Seperti jam tangan yang berjalan selamanya tanpa baterai.

Pencarian fase materi ini akhirnya membuahkan hasil.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan 30 November di Nature, tim ilmuwan dari Universitas Stanford, Google Quantum AI, Institut Max Planck untuk Fisika Sistem Kompleks, dan Universitas Oxford merinci pembuatan kristal waktu mereka menggunakan perangkat keras komputasi kuantum Sycamore Google. .

“Gambaran besarnya adalah bahwa kami mengambil perangkat yang seharusnya menjadi komputer kuantum masa depan dan menganggapnya sebagai sistem kuantum yang kompleks dalam hak mereka sendiri,” kata Matteo Ippolitti, seorang ilmuwan pascadoktoral di Universitas Stanford dan penulis utama karya tersebut. “Alih-alih komputasi, kami menempatkan komputer untuk bekerja sebagai platform eksperimental baru untuk memahami dan menemukan fase materi baru.”

“Kristal waktu adalah contoh nyata dari jenis baru fase kuantum materi yang tidak seimbang,” kata Vedika Khemani, asisten profesor fisika di Universitas Stanford dan penulis makalah penelitian. “Sementara sebagian besar pemahaman kita tentang fisika benda terkondensasi bergantung pada sistem keseimbangan, perangkat kuantum baru ini memberi kita jendela yang menarik ke dalam sistem non-kesetimbangan baru dalam fisika multibenda.”

Bahan dasar untuk membuat kristal kali ini adalah sebagai berikut: fisik yang setara dengan lalat buah dan sesuatu untuk memberinya dorongan. Fisika Drosophila adalah model Ising, alat lama untuk memahami berbagai fenomena fisik – termasuk transisi fase dan magnet – yang terdiri dari kisi di mana setiap posisi partikel menempati dua keadaan yang direpresentasikan sebagai putaran ke atas atau ke bawah.

“Ini adalah fase materi yang sepenuhnya kuat, di mana Anda tidak menyetel parameter atau status, tetapi sistem Anda masih kuantitatif,” kata Sundy, profesor fisika di Oxford dan rekan penulis makalah tersebut. “Tidak ada pemberian energi, tidak ada pengurasan energi, berlangsung selamanya, dan melibatkan banyak partikel yang sangat reaktif.”

Meskipun ini mungkin tampak mencurigakan dekat dengan “mesin gerak abadi”, pengamatan lebih dekat mengungkapkan bahwa kristal waktu tidak melanggar hukum fisika apa pun.

Entropi – ukuran ketidakteraturan dalam sistem – tetap konstan dari waktu ke waktu, sedikit memenuhi hukum kedua termodinamika melalui non-penurunan.

Antara mengembangkan rencana kristal waktu ini dan eksperimen komputer kuantum yang menghidupkannya, eksperimen oleh banyak peneliti berbeda telah mencapai banyak pencapaian kristal dalam waktu yang hampir bersamaan. Namun, menyediakan semua bahan dalam resep “lokalisasi multi-tubuh” (fenomena yang memungkinkan kristalisasi waktu konstan tanpa batas) tetap menjadi tantangan besar.

Untuk Khemani dan kolaboratornya, langkah terakhir untuk mencapai kesuksesan Crystal adalah bekerja dengan tim di Google Quantum AI. Bersama-sama, kelompok ini menggunakan perangkat keras komputasi kuantum Sycamore Google untuk memprogram 20 “putaran” menggunakan versi kuantum dari bit informasi komputer klasik, yang dikenal sebagai qubit.

Mengungkap seberapa kuat minat pada kristal waktu, kristal itu diterbitkan lagi di Science bulan ini. Para peneliti di Delft University of Technology di Belanda menciptakan kristal menggunakan qubit di dalam berlian.

“Kami telah dapat menggunakan keserbagunaan komputer kuantum untuk membantu kami menganalisis keterbatasannya sendiri,” kata Moessner, rekan penulis makalah dan direktur di Institut Max Planck untuk Fisika Sistem Kompleks. “Dia pada dasarnya memberi tahu kami cara memperbaiki kesalahannya sendiri, sehingga sidik jari dari perilaku sempurna kristal waktu dapat diverifikasi melalui pengamatan waktu yang terbatas.”

Tanda utama dari kristal waktu yang ideal adalah ia menunjukkan osilasi nonspesifik dari semua keadaan. Memverifikasi kekuatan ini dalam memilih negara telah menjadi tantangan empiris utama. Para peneliti merancang protokol untuk memeriksa lebih dari satu juta contoh kristal waktu hanya dalam satu siklus mesin, yang hanya membutuhkan milidetik waktu proses. Ini seperti melihat kristal fisik dari berbagai sudut untuk memeriksa struktur berulangnya.

“Fitur unik dari prosesor kuantum kami adalah kemampuannya untuk menciptakan keadaan kuantum yang sangat kompleks,” kata Xiao Mei, peneliti di peramban google dan co-lead penulis makalah. “Status ini memungkinkan struktur fase material diselidiki secara efektif tanpa harus menyelidiki seluruh ruang komputasi—tugas yang sulit diselesaikan.”

Menciptakan fase baru materi tidak diragukan lagi menarik pada tingkat fundamental. Selain itu, fakta bahwa para peneliti ini dapat melakukannya menunjukkan peningkatan penggunaan Komputer kuantum Untuk aplikasi selain komputasi.

“Saya optimis bahwa dengan qubit yang lebih banyak dan lebih baik, pendekatan kami dapat menjadi metode utama dalam mempelajari dinamika ketidakseimbangan,” Pedram Roshan, peneliti Google dan penulis senior makalah tersebut mengatakan.

“Kami pikir penggunaan komputer kuantum yang paling menarik saat ini adalah sebagai platform untuk fisika kuantum fundamental,” kata Ippoliti. “Dengan kemampuan unik dari sistem ini, ada harapan bahwa Anda akan menemukan beberapa fenomena baru yang tidak Anda duga.”

referensi majalah

1. Mei, X, Ippolite, M, Quintana, C et al. Pengaturan kristalisasi waktu Eigenstate pada prosesor kuantum. Alam (2021). DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w