Первый «кристалл времени», созданный с использованием квантового компьютера Google

Подобно вечному двигателю, кристалл времени непрерывно переходит из одного состояния в другое, не потребляя энергии. Физики утверждают, что создали эту новую фазу материи внутри квантового компьютера. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

В опубликованном в четверг вечером предварительном докладе исследователи Google совместно с физиками из Стэнфорда, Принстона и других университетов утверждают, что использовали квантовый компьютер Google для демонстрации настоящего «кристалла времени». Кроме того, ранее в этом месяце другая исследовательская группа заявила о создании кристалла времени в алмазе.

Кристалл времени — это новая фаза материи, которую физики пытаются постичь на протяжении многих лет. Это объект, части которого движутся в регулярном, повторяющемся цикле, поддерживая это постоянное изменение без сжигания какой-либо энергии.

«Последствие поразительно: вы обходите второй закон термодинамики», — сказал Родерих Мёсснер, директор Института физики сложных систем Общества Макса Планка в Дрездене, Германия, и соавтор статьи в Google. Этот закон гласит, что беспорядок всегда растёт.

Кристаллы времени также являются первыми объектами, спонтанно нарушающими «симметрию временного перехода» – обычное правило, согласно которому стабильный объект остается неизменным на протяжении времени. Кристалл времени одновременно стабилен и постоянно меняется, и особые моменты возникают через определенные промежутки времени.

Кристалл времени — это новая категория фаз вещества, расширяющая определение фазы. Все остальные известные фазы, такие как вода или лёд, находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы находятся в состоянии с минимальной энергией, допускаемой окружающей температурой, и их свойства не меняются со временем. Кристалл времени — это первая «неравновесная» фаза: он обладает порядком и идеальной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбуждённом и эволюционирующем состоянии.

«Это совершенно новая и захватывающая область, в которой мы сейчас работаем», — сказала Ведика Кхемани, физик, изучающий конденсированное вещество, работающая в настоящее время в Стэнфорде. Она стала одним из первооткрывателей новой фазы, будучи аспиранткой, и соавтором новой статьи вместе с командой Google.

Кхемани, Месснер, Шиваджи Сонди из Принстона и Ахиллеас Лазаридес из Университета Лафборо в Соединенном Королевстве открыли возможность существования этой фазы и описали ее основные свойства в 2015 году; вскоре после этого конкурирующая группа физиков во главе с Четаном Наяком из Microsoft Station Q и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре идентифицировала ее как кристалл времени.

Последние пять лет исследователи работали над созданием кристалла времени, но предыдущие эксперименты, хотя и были успешными сами по себе, не смогли удовлетворить всем критериям, необходимым для подтверждения его существования. «Есть веские основания полагать, что ни один из этих экспериментов не увенчался полным успехом, и квантовый компьютер, подобный [компанию Google], был бы особенно хорош для достижения гораздо лучших результатов, чем те, что были в предыдущих экспериментах», — сказал Джон Чалкер, физик-теоретик из Оксфордского университета, не принимавший участия в новой работе.

Команда Google, занимающаяся квантовыми вычислениями, попала в заголовки новостей в 2019 году, когда выполнила первое в истории вычисление, которое, как считалось, обычные компьютеры не могли выполнить за приемлемое время. Однако эта задача была задумана лишь для демонстрации ускорения и не представляла никакого интереса. Демонстрация нового кристалла времени знаменует собой один из первых случаев, когда квантовый компьютер нашёл себе достойное применение.

«Это фантастическое использование процессора [Google]», — сказал Наяк.

Благодаря вчерашнему препринту, который был отправлен в печать, и другим недавним результатам, исследователи оправдали изначальные надежды на квантовые компьютеры. В своей статье 1982 года, предлагавшей эти устройства, физик Ричард Фейнман утверждал, что их можно использовать для моделирования частиц любой мыслимой квантовой системы.

Кристалл времени – яркий пример такого видения. Это квантовый объект, который сама природа, вероятно, никогда не создаст, учитывая его сложную комбинацию деликатных ингредиентов. Рецепт был создан воображением, пробужденным самыми загадочными законами природы.

Невозможная идея, воскресшая

Первоначальная идея кристалла времени имела фатальный недостаток.

Нобелевский лауреат по физике Фрэнк Вильчек задумался об этой идее в 2012 году, ведя курс об обычных (пространственных) кристаллах. «Если вы думаете о кристаллах в пространстве, совершенно естественно также подумать о классификации их поведения во времени», — сказал он вскоре после этого в интервью нашему журналу.

Рассмотрим алмаз – кристаллическую фазу скопления атомов углерода. Это скопление подчиняется одним и тем же уравнениям во всех точках пространства, но при этом его форма периодически меняется в пространстве, а атомы располагаются в узлах решётки. Физики говорят, что оно «спонтанно нарушает пространственную трансляционную симметрию». Только состояния равновесия с минимальной энергией спонтанно нарушают пространственную симметрию таким образом.

Вильчек представил себе многосоставной объект, находящийся в равновесии, подобно алмазу. Но этот объект нарушает симметрию относительно времени: он совершает периодическое движение, возвращаясь к своей первоначальной конфигурации через регулярные промежутки времени.

Предложенный Вильчеком кристалл времени разительно отличался, скажем, от настенных часов — объекта, который также совершает периодические движения. Стрелки часов потребляют энергию и останавливаются, когда батарейка разряжается. Кристалл времени Вильчека не требует никаких входных данных и работает бесконечно, поскольку система находится в сверхстабильном состоянии равновесия.

Если это кажется неправдоподобным, то так оно и есть: после долгих волнений и споров в 2014 году было получено доказательство, что рецепт Вильчека не работает, как и все другие вечные двигатели, созданные на протяжении истории.

В тот год исследователи из Принстона думали о другом. Кхемани и её научный руководитель Сонди изучали локализацию многих частиц, являющуюся расширением локализации Андерсона, открытия, удостоенного Нобелевской премии в 1958 году, согласно которому электрон может застрять на месте, словно в расщелине в неровной поверхности.

Электрон лучше всего представить в виде волны, высота которой в разных местах определяет вероятность обнаружения частицы в этом месте. Волна естественным образом распространяется со временем. Однако Филип Андерсон обнаружил, что случайность — например, наличие случайных дефектов в кристаллической решётке — может привести к тому, что волна электрона распадётся, деструктивно интерферирует сама с собой и гаснет везде, кроме небольшой области. Частица локализуется.

Десятилетиями люди считали, что взаимодействие между несколькими частицами разрушает эффект интерференции. Но в 2005 году три физика из Принстонского и Колумбийского университетов показали, что одномерная цепочка квантовых частиц может испытывать многочастичную локализацию, то есть все они застревают в фиксированном состоянии. Это явление стало первым компонентом кристалла времени.

Представьте себе ряд частиц, каждая из которых имеет магнитную ориентацию (или «спин»), направленную вверх, вниз или с некоторой вероятностью в обоих направлениях. Представьте, что первые четыре спина изначально направлены вверх, вниз, вниз и вверх. Спины будут квантово-механически флуктуировать и быстро выстраиваться, если это возможно. Но случайные помехи между ними могут привести к тому, что ряд частиц застрянет в своей конкретной конфигурации, неспособный перестроиться или достичь теплового равновесия. Они будут направлены вверх, вниз, вниз и вверх бесконечно.

Сонди и его коллега обнаружили, что локализованные системы многих тел могут демонстрировать особый вид порядка, который станет вторым ключевым компонентом кристалла времени: если перевернуть все спины в системе (в нашем примере вниз, вверх, вверх и вниз), то получится другое стабильное локализованное состояние многих тел.

Осенью 2014 года Кемани присоединился к Сонди во время академического отпуска в Институте Макса Планка в Дрездене. Там Мёсснер и Лазаридес специализировались на так называемых системах Флоке: периодически возбуждаемых системах, например, кристалле, возбуждаемом лазером определённой частоты. Интенсивность лазера, а следовательно, и сила его воздействия на систему, периодически меняется.

Мёсснер, Лазаридес, Сонди и Кхемани изучали, что происходит, когда многочастичная локализованная система периодически возбуждается подобным образом. В ходе расчётов и моделирования они обнаружили, что при определённом воздействии лазером на локализованную цепочку спинов они перескакивают из одного состояния в другое, перемещаясь между двумя различными многочастичными локализованными состояниями в бесконечно повторяющемся цикле, не поглощая при этом никакой энергии лазера.

Они назвали своё открытие пи-фазой спинового стекла (где угол пи означает переворот на 180 градусов). Группа представила концепцию этой новой фазы материи — первой когда-либо идентифицированной многочастичной неравновесной фазы — в препринте 2015 года, но термин «кристалл времени» в нём не встречался. Авторы добавили этот термин в обновлённой версии, опубликованной в журнале Physical Review Letters в июне 2016 года, поблагодарив рецензента в разделе благодарностей за установление связи между их пи-фазой спинового стекла и кристаллами времени.

Между появлением препринта и его публикацией произошло ещё кое-что: Наяк, бывший аспирант Вильчека, и его коллеги Доминик Элс и Бела Бауэр опубликовали препринт в марте 2016 года, в котором предположили существование объектов, называемых кристаллами времени Флоке. В качестве примера они привели пи-спиновое стекло Хемани и его компании.

Кристалл времени Флоке демонстрирует поведение, описанное Вильчеком, но только при периодическом воздействии внешнего источника энергии. Этот тип кристалла времени обходит неудачу первоначальной идеи Вильчека, поскольку никогда не претендует на тепловое равновесие. Поскольку это многочастичная локализованная система, её спины или другие компоненты не способны достичь равновесия; они остаются на месте. Однако система не нагревается, несмотря на накачку лазером или другим источником. Вместо этого она бесконечно циклично переходит из одного локализованного состояния в другое.

Лазер уже нарушил симметрию между всеми моментами времени для ряда спинов, установив вместо этого «дискретную симметрию трансляции во времени», то есть идентичные условия только после каждого периодического цикла лазера. Но затем, совершая перевороты туда-сюда, ряд спинов ещё больше нарушает дискретную симметрию трансляции во времени, налагаемую лазером, поскольку его собственные периодические циклы кратны циклам лазера.

Кемани и соавторы подробно описали эту фазу, но группа Наяка сформулировала её на языке времени, симметрии и спонтанного нарушения симметрии — фундаментальных понятий физики. Помимо более привлекательной терминологии, они открыли новые грани понимания и несколько обобщили понятие кристалла времени Флоке, выйдя за рамки фазы пи-спинового стекла (отметив, что определённая симметрия, которая у него есть, не обязательна). Их статья была опубликована в Physical Review Letters в августе 2016 года, через два месяца после того, как Кемани и компания опубликовали теоретическое открытие первого примера этой фазы.

Обе группы утверждают, что открыли эту идею. С тех пор исследователи-соперники и другие учёные наперегонки пытались создать кристалл времени в реальности.

Идеальная платформа

Команда Наяка объединилась с Крисом Монро из Мэрилендского университета, который использует электромагнитные поля для захвата и управления ионами. В прошлом месяце группа сообщила в журнале Science, что им удалось превратить захваченные ионы в приблизительный, или «дотермический», кристалл времени. Его циклические изменения (в данном случае, переходы ионов между двумя состояниями) практически неотличимы от изменений настоящего кристалла времени. Но, в отличие от алмаза, этот дотермический кристалл времени не вечен; если эксперимент будет продолжаться достаточно долго, система постепенно придет в равновесие, и циклическое поведение нарушится.

Кемани, Сонди, Мёсснер и их коллеги переключились на другое направление. В 2019 году Google объявила, что её квантовый компьютер Sycamore выполнил задачу за 200 секунд, на которую обычному компьютеру потребовалось бы 10 000 лет. (Позже другие исследователи описали способ значительного ускорения вычислений обычного компьютера.) По словам Мёсснера, ознакомившись с анонсом, он и его коллеги поняли, что «процессор Sycamore содержит в качестве основных строительных блоков именно то, что нам нужно для создания кристалла времени Флоке».

По счастливому стечению обстоятельств, разработчики Sycamore также искали применение своей машине, которая слишком подвержена ошибкам для запуска алгоритмов криптографии и поиска, разработанных для полноценных квантовых компьютеров. Когда Хемани и его коллеги обратились к Кости Кечеджи, теоретику из Google, он и его команда быстро согласились сотрудничать в проекте кристалла времени. «Моя работа, не только с дискретными кристаллами времени, но и с другими проектами, заключается в том, чтобы попытаться использовать наш процессор в качестве научного инструмента для изучения новых физических или химических процессов», — сказал Кечеджи.

Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.

Квантовые компьютеры состоят из «кубитов» — по сути, управляемых квантовых частиц, каждая из которых может одновременно находиться в двух возможных состояниях, обозначенных как 0 и 1. Взаимодействуя, кубиты могут совместно оперировать экспоненциальным числом одновременных возможностей, что обеспечивает вычислительные преимущества.

Кубиты Google состоят из сверхпроводящих алюминиевых полосок. Каждый из них имеет два возможных энергетических состояния, которые можно запрограммировать на представление спинов, направленных вверх или вниз. Для демонстрации Кечеджи и его коллеги использовали чип с 20 кубитами, который служил временным кристаллом.

Возможно, главным преимуществом этой машины перед конкурентами является её способность настраивать силу взаимодействия между кубитами. Эта настраиваемость — ключ к тому, почему система может стать кристаллом времени: программисты могли рандомизировать силу взаимодействия кубитов, и эта случайность создавала деструктивную интерференцию между ними, что позволяло ряду спинов достичь многочастичной локализации. Кубиты могли фиксироваться в заданном шаблоне ориентаций, а не выстраиваться.

Исследователи задали спинам произвольные начальные конфигурации, например: вверх, вниз, вниз, вверх и так далее. Микроволновая накачка системы переворачивала спины, направленные вверх, на спины, направленные вниз, и наоборот. Запустив десятки тысяч демонстраций для каждой начальной конфигурации и измеряя состояния кубитов через разные промежутки времени в каждом запуске, исследователи смогли наблюдать, как система спинов переключается между двумя локализованными состояниями множества тел.

Отличительной чертой фазы является чрезвычайная стабильность. Лёд остаётся льдом даже при колебаниях температуры. Исследователи обнаружили, что микроволновым импульсам достаточно было перевернуть спины примерно на 180 градусов, но не так уж сильно, чтобы спины вернулись к своей первоначальной ориентации после двух импульсов, подобно тому, как маленькие кораблики восстанавливают равновесие. Более того, спины никогда не поглощали и не рассеивали чистую энергию микроволнового лазера, оставляя беспорядок системы неизменным.

5 июля группа учёных из Делфтского технического университета (Нидерланды) сообщила, что им удалось создать кристалл времени Флоке не в квантовом процессоре, а на основе ядерных спинов атомов углерода в алмазе. Система Делфта меньше и имеет более ограниченные возможности, чем кристалл времени, реализованный в квантовом процессоре Google.

Неясно, может ли кристалл времени Флоке иметь практическое применение. Но его стабильность кажется Мёсснеру многообещающей. «Такая стабильность — это нечто необычное, и особые вещи становятся полезными», — сказал он.

Или же это состояние может быть просто концептуально полезным. Это первый и простейший пример неравновесной фазы, но исследователи предполагают, что физически возможны и другие подобные фазы.

Наяк утверждает, что кристаллы времени проливают свет на нечто глубокое в природе времени. Обычно в физике, сказал он, «как бы вы ни пытались рассматривать [время] как просто ещё одно измерение, оно всегда будет своего рода исключением». Эйнштейн предпринял наилучшую попытку объединения, сплетя трёхмерное пространство со временем в четырёхмерную ткань: пространство-время. Но даже в его теории однонаправленное время уникально. Что касается кристаллов времени, сказал Наяк, «это первый известный мне случай, когда время внезапно становится просто одним из них».

Однако Чалкер утверждает, что время остаётся исключением. Кристалл времени Вильчека, по его словам, был бы истинным объединением времени и пространства. Пространственные кристаллы находятся в равновесии и, следовательно, нарушают непрерывную симметрию пространственного трансляционного взаимодействия. Открытие того, что в случае времени только дискретная симметрия временного трансляционного взаимодействия может быть нарушена кристаллами времени, позволяет по-новому взглянуть на различие между временем и пространством.

Эти дискуссии будут продолжаться, обусловленные возможностью исследований на квантовых компьютерах. Физики, занимающиеся конденсированными телами, раньше интересовались фазами естественного мира. «Акцент сместился с изучения того, что даёт нам природа», — сказал Чалкер, — к созданию экзотических форм материи, допускаемых квантовой механикой.

Обновление: 30 июля 2021 г.
После публикации этой статьи Quanta узнала, что 5 июля другая исследовательская группа опубликовала препринт, в котором утверждалось, что ей удалось создать кристалл времени, используя девять атомов углерода в алмазе. Мы обновили статью, включив в неё этот результат.

Источник: www.quantamagazine.org