فريق ستانفورد وجوجل لإنشاء بلورات زمنية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية

قام فريق من الباحثين ، بما في ذلك ستانفورد وجوجل ، بإنشاء ومراقبة مرحلة جديدة من الكائن المعروف باسم Time Crystal.

هناك جهد عالمي ضخم لإنشاء كمبيوتر قادر على إجراء حسابات معقدة غير مسبوقة باستخدام قوة فيزياء الكم. على الرغم من أن الحواجز التكنولوجية القوية لا تزال تمنع إنشاء مثل هذا النظام الكمي ، إلا أن النماذج الأولية المبكرة اليوم لا تزال قادرة على تحقيق إنجازات كبيرة.

على سبيل المثال ، إنشاء مرحلة جديدة من كائن يسمى “بلورة الوقت”. عندما تكرر بنية البلورة نفسها في الفضاء ، فإن بلورة الوقت تكرر نفسها بمرور الوقت ، بشكل أساسي ، بدون اللانهاية وبدون أي مدخلات للطاقة – مثل الساعة التي تعمل دائمًا بدون أي بطارية. لطالما كان البحث عن هذه المرحلة من الكائن يمثل تحديًا من الناحية النظرية والتجربة – وقد آتى ثماره أخيرًا.

في بحث نشر في المجلة 30 نوفمبر 2021 طبيعي >> صفةتم إنشاء Time Crystal بواسطة فريق من العلماء من جامعة ستانفورد ، وجوجل كوانتوم إيه آي ، ومعهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة وجامعة أكسفورد ، باستخدام سيكامور من جوجل. الاحصاء الكمية المعدات.

تُستخدم شريحة Google Sycamore لإنشاء Time Crystal. الائتمان: Google Quantum AI

قال ماتيو إيبوليتي ، الباحث في الدراسات العليا والمحرر المشارك في جامعة ستانفورد: “الصورة الكبيرة هي أننا نأخذ أجهزة ستكون بمثابة أجهزة كمبيوتر كمومية في المستقبل ونتعامل معها على أنها أنظمة كمومية معقدة”. من العمل. “بدلاً من الحوسبة ، نجعل النظام يعمل كموقع اختبار جديد لاستشعار واكتشاف مراحل جديدة من المادة.”

بالنسبة للمجموعة ، لا تكمن الإثارة في إنجازهم في إنشاء مرحلة جديدة من المادة فحسب ، بل تكمن أيضًا في إتاحة الفرص لهم لاستكشاف أنظمة جديدة في مجال فيزياء المواد المضغوطة ، والتي تستكشف الخصائص التي تسببها الأحداث والتفاعلات الجديدة . كائنات متعددة في نظام واحد. (مثل هذه التفاعلات أغنى بكثير من خصائص الأشياء الفردية.)

يقول Vedika Kemani ، الأستاذ المساعد للفيزياء في جامعة ستانفورد وكبير مؤلفي الرسالة ، إن “بلورات الوقت هي مثال رئيسي لنوع جديد من الطور الكمومي غير المتوازن”.

ما هو مصطلح الكريستال وليس

المكونات الأساسية لإنشاء هذه الطريقة البلورية هي: المكافئ الفيزيائي لذبابة الفاكهة وشيء يمنحها دفعة. ذبابة الفاكهة في الفيزياء هي نموذج الجليد ، وهي أداة طويلة الأمد لفهم مختلف الظواهر الفيزيائية – بما في ذلك انتقالات الطور والمغناطيسية – تتكون من شبكة تشغل فيها كل قاعدة جسيم يمكن أن يكون على مرحلتين. او تحت.

خلال سنوات تخرجه ، كيماني ، مستشار الدكتوراه له شيفاجي سوندي ، لاحقًا جامعة برينستون، وقد عثر أخيل لازاريت ورودريتش موسنر من معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة على هذه الوصفة للإنشاء العرضي لبلورات الوقت. كانوا يدرسون أنظمة محلية متعددة الأجسام غير متوازنة – كانت الجسيمات “محاصرة” كما بدأت ولن تستقر أبدًا في حالة توازن. كانوا مهتمين باستكشاف المراحل التي يمكن أن تتشكل في مثل هذه الأنظمة عندما يتم “ركلهم” من حين لآخر بواسطة الليزر. إنهم لا يكتشفون الأطوار الثابتة غير المتوازنة فحسب ، بل اكتشفوا أيضًا أن الجسيمات تنقلب بين الأشكال الحلزونية ، وهو ضعف وقت قيادة الليزر.

عرض ثلاجة Google السائلة ، والتي تحتوي على شريحة الجميز. الائتمان: Google Quantum AI

يحدد الفاصل الزمني لليزر إيقاعًا محددًا للخواص الحركية. عادة يجب أن تتزامن “رقصة” الحلقات مع هذا الإيقاع ، ولكن ليس في وقت واحد. بدلاً من ذلك ، تنقلب الحلقات بين الوضعين ، لتكمل دورة واحدة فقط بعد ركلها بواسطة الليزر. مرتين. هذا يعني أن “تناسق ترجمة الوقت” في النظام معطل. تلعب التناظرات دورًا أساسيًا في الفيزياء ، وغالبًا ما يتم كسرها – مما يفسر ظهور البلورات التقليدية والمغناطيس والعديد من الظواهر الأخرى ؛ ومع ذلك ، فإن تناظر ترجمة الوقت يقف بمفرده لأنه ، على عكس التناظرات الأخرى ، لا يمكن تقسيمه إلى توازن. ركلة زمنية تجعل بلورات الوقت ممكنة.

إن مضاعفة فترة التذبذب أمر غير معتاد ولكنه غير مسبوق. كما أن التذبذبات طويلة المدى شائعة جدًا في ميكانيكا الكم لبعض أنظمة الجسيمات. ما يجعل بلورة الزمن فريدة من نوعها هو أنه نظام من ملايين الأشياء التي تظهر هذا النوع من السلوك المتماسك دون أي طاقة تأتي منه. أو تسرب.

يقول Chondi ، أستاذ الفيزياء في جامعة أكسفورد والمؤلف المشارك للورقة البحثية ، “هذه مرحلة مادة صلبة تمامًا حيث لم تقم بتعديل المعلمات أو المستويات جيدًا ، لكن هيكلك لا يزال كميًا.”

في حين أن هذا قد يبدو مشكوكًا فيه لـ “آلة الحركة الدائمة” ، فإن نظرة فاحصة تكشف أن بلورات الوقت لا تنتهك أي قوانين فيزيائية. الانتروبيا – قياس الاضطراب في النظام – ثابت بمرور الوقت ، ومرضٍ نوعًا ما دون تقليل القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

بين تطوير هذا المشروع لبلورة زمنية وتجربة الكمبيوتر الكمومية التي جعلته حقيقة واقعة ، توصلت العديد من التجارب التي أجراها فريق من الباحثين المختلفين إلى العديد من المعالم شبه الكريستالية الزمنية. ومع ذلك ، فإن تقديم جميع المكونات في “توطين الأجسام المتعددة” (ظاهرة تنشيط بلورة زمنية ثابتة لانهائية) كان تحديًا كبيرًا.

بالنسبة إلى Kemani ومعاونيه ، فإن العمل مع فريق على Google Quantum AI هو الخطوة النهائية لمصطلح النجاح. معًا ، استخدم الفريق نسخة كمومية من أجزاء الكمبيوتر الكلاسيكي لبرمجة 20 “حلقة” باستخدام جهاز الحوسبة الكمومية Sycamore من Google ، والتي تسمى quits.

تم إصدار Time Crystal مرة أخرى ، مما يكشف عن مدى الاهتمام الشديد حاليًا بلورات الوقت علم هذا الشهر. تم تطوير البلورة من قبل باحثين في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا باستخدام الإقلاع عن التدخين في الماس.

فرص الكم

تمكن الباحثون من تأكيد ادعاء وجود بلورة في الوقت الحقيقي من خلال القدرات الخاصة للحاسوب الكمومي. على الرغم من أن الحجم المحدود ووقت المزامنة للجهاز الكمومي (غير المكتمل) مقيدان بحجمها التجريبي ومدتها – ابتكر الباحثون خوارزميات مختلفة يمكنها فقط اكتشاف التذبذبات البلورية الزمنية لبضع مئات من الدورات إلى أجل غير مسمى. تقييم استدامة تكوينها. يتضمن ذلك تشغيل المحاكاة ذهابًا وإيابًا وقياس حجمها.

قال موسنر ، المؤلف المشارك ومدير معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة: “إن تعدد استخدامات الكمبيوتر الكمومي مكننا من تحليل حدوده الخاصة”. “لقد أخبرنا بشكل أساسي عن كيفية إصلاح أخطائه بحيث يمكن اكتشاف بصمة أفضل سلوك بلوري زمني من خلال ملاحظات محدودة الوقت.”

إن التوقيع الرئيسي لبلورة الوقت المثالية هو أنها تظهر تذبذبات غير محددة الجميع في الدول. كان التحقق من هذه القوة في اختيار الحالات تحديًا كبيرًا ، وقد ابتكر الباحثون بروتوكولًا لدراسة أكثر من مليون بلورة في تدفق واحد للآلة ، الأمر الذي يتطلب أجزاء من الثانية فقط من وقت التشغيل. إنه يشبه النظر إلى بلورة مادية للتحقق من هيكلها المتكرر من زوايا متعددة.

قال شياو مي ، الباحث في Google والمؤلف الرئيسي المشارك للورقة البحثية: “الميزة الفريدة لمعالجنا الكمومي هي قدرته على إنشاء حالات كمومية شديدة التعقيد”. “تسمح لك هذه المستويات بالتحقق بشكل فعال من الهياكل الشبكية للكائن دون الحاجة إلى استكشاف مساحة الحوسبة بأكملها – وهي مهمة غير قابلة للحل.”

إن إنشاء مرحلة جديدة من الموضوع أمر مثير بلا شك على المستوى الأساسي. بالإضافة إلى ذلك ، تشير حقيقة أن هؤلاء الباحثين تمكنوا من القيام بذلك إلى الفائدة المتزايدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية لتطبيقات أخرى غير الحوسبة. قال الباحث في Google وكبير مؤلفي المقالة Petram Rushen ، “أنا واثق من أنه مع ترك أفضل ، سيصبح نهجنا في دراسة الديناميكيات غير المتوازنة نهجًا مهمًا.

قال إيبوليتي: “نعتقد أن التطبيق الأكثر إثارة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في الوقت الحالي هو مواقع فيزياء الكم الأساسية”. “من خلال الإمكانات الفريدة لهذه الأنظمة ، نأمل أن تكتشف بعض الأحداث الجديدة التي لم تكن تتوقعها”.

ملاحظة: “ترتيب Eigenstate Time-Crystalline على معالج كمومي” بواسطة Xiao Mi ، و Matteo Ippoliti ، و Chris Quintana ، و Ami Greene ، و Zijun Chen ، و Jonathan Gross ، و Frank Arute ، و Kunal Arya ، و Juan Atalaya ، و Ryan Babbush ، و Joa C. Bardin Andreas Bendson الكسندر فيلمز ، الكسندر بوراسا ، ليون بريل ، مايكل بروتون ، بوب ب. باكلي ، ديفيد أ. بولي ، بريان بوركيت ، نيكولاس بوشنيل ، بنيامين سييرو ، روبرتو كولينز ، ويليام كورتني ، تريبتو ديبروي ، آلان آر ديبروي ، ديرك ، أندرو دونسورث ، دانيال إيبسون ، كاثرين إريكسون ، إدوارد فيرهي. فاولر ، بروكس فوكس ، كريج كيدني ، ماريسا كوستينا ، ماثيو ب. إعصار ، شون د. Harrington، Jeremy Hilton، Along Ho، Sabrina، Sabrina، Ashley Huff، William J.Huggins، LB Ioffe، Sergei V. Isakov، Justin Iveland، Evan Jeffrey، Zhang Jiang، Cody Jones، Dvir Kafri، Tanuj Khattar، Alex Kim Kitaev، بول ف كليموف ، ألكسندر ن. ، فيدور كوستريتزا ، ديفيد لاندويس ، بافل لابديف ، جونهو لي ، كيني لي ، أديتيا لوكشارل أ ، إريك لوسيرو ، أوريون مارتن ، جاروت ر. ماكلين ، تريفور ماكورد ، مات ماكوين ، كيفن سي. مياو ، مسعود محسن ، شيرين مونتيسوري ، وجسيخ مروسكييفيتش ، أوفر نامان ، ماثيو نيلي ، تشارلز أومان نيل ، مايكل جون نيل ، مارهيل جون نيل إي. أوبراين ، أليكس أوبراينكوك ، إريك أوستبي ، بالينت باتو ، أندريه بيتوكوف ، نيكولاس سي. روبن ، دانيال تشانغ ، كيفن ج. تشوتسنجر ، فلاديمير شوارتز ، جوان سو ، دوج سترين ، ماركو شلي ، ماثيو د. تريفيدلونج ، ثيودور وايت ، Z. جيمي ياو ، بينج يه ، جوان يو ، آدم سولكمان ، هارتماوث نيفين ، سيرجيو بويكس ، فاديم سميليانسكي ، أنتوني ماكجرانت ، جوليان كيلي ، يو تشين ، S.L. سوندي ، رودريش موسنر ، كوستياندين كيماني ، ف. ، 30 تشرين الثاني (نوفمبر) 2021 ، طبيعي >> صفة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w

قاد العمل جامعة ستانفورد وجوجل كوانتوم إيه آي ومعهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة وجامعة أكسفورد. قائمة المؤلفين الكاملة متاحة طبيعي >> صفة ورق.

تم تمويل هذا البحث من قبل وكالة برامج البحوث الأمنية المتقدمة (Dharpa) ، وجائزة Google Research ، ومؤسسة Sloan Foundation ، ومؤسسة Garden & Betty Moore Foundation و Deutsche ForceSchemesoft.