Създаване на времеви кристали с помощта на нови квантови изчислителни архитектури

Впечатление на художника от кристал с дискретно време, състоящ се от девет кубита, представени от ядрения спин на девет въглерод-13 атома в диамант. Веригата от свързани цикли е заключена във фаза, в която периодично обръщат своите състояния. Кредит: Джо Рандал и Тим Тамино, С любезното съдействие на QuTech

Физикът от Калифорнийския университет в Бъркли Норман Яо го описа за първи път преди пет години Как да си направим кристал на времето Нова форма на материя, чиито модели се повтарят във времето, а не в пространството. За разлика от кристалите от смарагд или сапфир, тези времеви кристали съществуват само за част от секундата.

Но е време за кристали на времето. След първоначалното предложение на Яо, новите идеи доведоха до откритието, че кристалите на времето идват в много различни форми, всеки от които се установява по свой собствен механизъм.

използвайки файл Количествена статистика Няколко лаборатории са се доближили до създаването на локална версия на времеви кристал с много тела, която използва смущения, за да поддържа периодично задвижвани квантови кубити в непрекъснато състояние на субхармонична вибрация – кубитите осцилират, но само всеки друг период на задвижването .

В статия, публикувана в списанието наука Миналата седмица Яо и колегите му от QuTech – сътрудничество между Технологичния университет в Делфт и TNO, независима изследователска група в Холандия – съобщиха за създаването на дискретен кристал от време с множество тела, който продължи около осем секунди, което съответства на 800 трептения. периоди. Те са използвали базиран на диамант квантов компютър, в който кубити – квантови битове, аналог на двоичните кубити в цифровите компютри – са ядрените завъртания на въглерод-13 атоми, вградени в диаманта.

„Докато напълно изолиран кристал на времето би могъл по принцип да живее вечно, всяко истинско експериментално приложение би било влошено от взаимодействията с околната среда“, каза Джо Рандал от QuTech. „По-нататъшното удължаване на живота е следващата граница.“

резултати, Публикувано за първи път това лято на arXiv, в квазисинхронен експеримент от изследователи от Google, Станфорд и Принстън, използвайки свръхпроводящия квантов компютър на Google, Sycamore. Тази демонстрация Използвах 20 кубита, направени от свръхпроводящи алуминиеви ленти и издържах около осем десети от секундата. Времевите кристали на Google и QuTech се наричат ​​Floquet фази на материята и са вид неравновесен материал.

„Много е вълнуващо да има множество експериментални пробиви, които се случват едновременно“, казва Тим Таминиау, главен изследовател в QuTech. „Всички тези различни платформи се допълват взаимно. Експериментът на Google използва два пъти повече кубити; нашият възрастов кристал живее около 10 пъти по-дълго.“

Екипът на Qutech манипулира деветте кубита на въглерод-13 по правилния начин, за да отговори на критериите за формиране на локален многотелен времеви кристал.

„Кристалът на времето е може би най-простият пример за състояние на дисбаланс на материята“, казва Яо, доцент по физика в Калифорнийския университет в Бъркли. „Системата QuTech е много подходяща за изследване на други неравновесни явления, включително, например, топологични фази на Floquet.“

Тези открития идват след наблюдения на кристали в друго време, което включва и групата на Яо, която беше публикувана в наука Преди няколко месеца. Там изследователите отбелязват т.нар какво е преди времеви кристал, където субхармоничните трептения се стабилизират чрез високочестотно задвижване. Експериментите са проведени в лабораторията на Монро в Университета на Мериленд, използвайки едномерна верига от уловени атомни йони, същата система, която наблюдава първите сигнали за динамиката на кристалите във времето преди повече от пет години. Интересно е, че за разлика от локалния кристал от време с множество тела, който по същество представлява квантовата флуоритна фаза, кристалите от времето преди прерия могат да съществуват или като квантови, или като Класически фази на материята.

Много въпроси остават отворени. Има ли практически приложения за кристалите на времето? Може ли разсейването да помогне за удължаване на живота на времевия кристал? По-общо, как и кога се балансират управляваните квантови системи? Докладваните резултати показват, че спиновите дефекти в твърдите тела са гъвкава платформа за експериментално изследване на тези важни отворени въпроси в статистическата физика.

„Способността да се изолират спинулите от околната среда, като същевременно се контролират взаимодействията им, предоставя прекрасна възможност да се проучи как информацията се запазва или губи“, казва Франсиско Мачадо, студент в Калифорнийския университет в Бъркли. „Би било чудесно да видим какво ще се случи по-нататък.

Препратки:

„Дискретен кристал от време с множество тела с програмируем квантов симулатор, базиран на спин“ от J. Randall, CE Bradley, FV van der Gronden, A. Galicia, MH Abobeih, M. Markham, DJ Twitchen, F. Machado, NY Yao и Таминау, 4 ноември 2021 г., наука.
DOI: 10.1126 / science.abk0603

„Наблюдение на кристална във времето система със собствени състояния на квантов процесор“ От Сяо Мей, Матео Иполити, Крис Кинтана, Ейми Грийн, Зиджун Чен, Джонатан Грос, Франк Аррут, Кунал Аря, Хуан Аталая, Райън Бабос, Джоузеф Барден, Жоао Басо, Андреас Бенгтсон, Александър Билмес, Александър Бораса, Леон Брил, Майкъл Брутън, Боб Бъкли, Дейвид А. Бойл, Брайън Бъркет, Никълъс Бушнел, Бенджамин Киаро, Роберто Колинс, Уилям Кортни, Дрепто ДеБруй, Шон Демора, Алън Дърк, Андрю Дънсуърт , Даниел Ебинс, Катрин Ериксън, Едуард Фархи, Остин Дж. Фаулър, Брукс Фокс, Крейг Гидни, Мариса Джъстина, Матю П. Хариган, Шон Д. Харингтън, Джеръми Хилтън, Алън Хо, Сабрина Хонг, Трент Хуанг, Ашли Хъф, Уилям Дж. Хъгинс, LB Evland, Sergey V. Isakov, Justin Evland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Kafri, Tanuj Khattar, Seon Kim, Alexei Kitaev, Paul F. Klimov, Alexander N. Коротков, Федор Кострица, Дейвид Ландхуис, Павел Лаптев, Джуно Лий, Кени Лий, Адития Лок Харла, Ерик Лусеро, Орион Мартин, Джарод Р. Макклейн, Тревър Маккорт, Мат Маккуин, Кевин С. Мяоу, Масуд Мохсени, Ширин Монтазери и Войчех Мършкевич, Офер Нааман, Матю Нийли, Чарлз Нийл, Майкъл Нюман, Мърфи Юсин Е. О’Брайън, Алекс Опремчак, Ерик Остби, Балинт Пато, Андре Петухов, Николас С. Рубин, Даниел Санк, Кевин Дж. Сацингер, Владимир Shvarts, Yuan Su, Doug Strain, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jimmy Yao, Peng Yeh, Johuan Yu, Adam Zelkman, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Kelly, Julian , Wei Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Kostiantin Kishidze и Vidika Roshan, 28 юли 2021 г., Квантова физика.
arXiv: 2107.13571

„Наблюдаване на дискретен времеви кристал преди етермичен“ от А. Киприанидис, Ф. Мачадо, У. Моронг, П. Бекер, К. С. Колинс, Д. В. Елсе, Л. Фън, П. В. Хес, К. Наяк, Г. Пагано, Н.Ю. Яо, и C. Monroe, 11 юни 2021 г., достъпно тук. наука.
DOI: 10.1126 / science.abg8102