量子プロセッサは、秩序だった固有状態を持つ時間結晶に変わりました

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量子プロセッサは、秩序だった固有状態を持つ時間結晶に変わりました
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Anonim
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グーグルといくつかのアメリカの大学の研究者は、秩序だった固有状態を持つ真の離散時間結晶の作成を報告しました。この状態は、Googleの量子プロセッサSycamoreのキュービットで取得されました。科学者たちは、自分たちが作成したタイムクリスタルが、真のタイムクリスタルと見なされることを可能にする多くの基準を満たしていることを実証しました。記事のプレプリントはarXiv.orgで公開されました。

時間結晶は、主なエネルギー状態であっても、時間の経過とともに特性が周期的に変化する架空のシステムです。この名前は、周期性が1つまたは複数の空間方向に発生し、媒体の温度が下がると結晶自体が形成される通常の結晶に注目して付けられました。しかし、一時的な結晶のアイデアの出現のほぼ直後に、物理学者によって批判されました。事実、熱力学的平衡の条件下では、基底状態のシステムは振動を実行できません。励起状態では、システムが基底状態に遷移する傾向があるため、時間結晶の概念が要求するように、その進化は時間的に厳密に周期的ではありません。

しかし、科学者たちはこの問題を回避する方法を見つけました。いわゆる多粒子局在化を使用して基底状態にシステムを緩和することが禁止されている場合、励起状態でのシステムの安定性を確保することが可能であることが判明した。これはアンダーソンの局在化に似た効果であり、無秩序な媒体での波動関数の量子干渉により、粒子のシステムを空間の小さな領域(実数または位相)に保持します。理論家の計算によると、局所的なシステムに外部の周期的作用を適用することにより、システムに振動を誘発することが可能であり、それは任意の長い時間継続します。この概念は、離散時間結晶と呼ばれます。

それ以来、科学雑誌は、特定のグループが離散時間結晶を実証したことを定期的に報告しています。しかし、多くの物理学者は、システムがゆっくりではあるが熱力学的平衡になりがちで、長い時間でそれに到達する動作の下でマスクされることがあるため、それらのすべてが真の時間結晶と見なされるわけではないという事実に注意を向けました距離。最終的に、真の時間の結晶と見かけの結晶を区別するいくつかの基準が策定され、実験者はそれらすべてに対応するシステムを作成するという課題に直面しました。

新作では、Quantum Artificial Intelligence Labの参加者が、複雑系物理学研究所の所長であるRoderich Moessnerの参加を得て、いくつかのアメリカの大学の物理学者と協力しました。ドイツのマックスプランクは、Googleが作成したSycamore量子プロセッサの20キュービットでの離散時間結晶の作成に関する結果を発表しました。彼らは、彼らが構築したシステムが以前に定式化されたすべての基準を満たしているため、真の離散時間結晶と見なすことができることを示しました。

彼らの研究は、多粒子局在化システムの秩序化された固有状態のアイデアに基づいています。一般的なケースでは、システムが定期的に公開されると、その状態のスペクトルが乱れる可能性があります。システムの状態がローカリゼーションによって「凍結」されると、それらの偶数の重ね合わせは、それらの奇数の重ね合わせの正反対の位相空間に配置されます。このようなシステムに周期的な摂動が加えられると、任意の長い時間、2倍の周期で応答を示すことができます。この場合、エネルギーは散乱されたり、妨害波から奪われたりすることはありません。

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a)ハミルトニアンが時間に依存しない熱力学的平衡にある任意のシステムのエネルギーレベル。長距離秩序は、メインダブレット(偶数と奇数の重ね合わせ)でのみ観察されます。 b)ハミルノニアンが周期的に時間に依存するシステムの無秩序なスペクトル。この場合、準エネルギーは単位長さの円上に蓄積されます。 c)ハミルノニアンが周期的に時間に依存しているシステムの順序付けられたスペクトル。順序付けられた状態の偶数と奇数の重ね合わせは、互いに180度異なります。

このアイデアを実装するために、物理学者は量子プロセッサの20トランズモンキュービットのチェーンを作成し、その状態をマイクロ波放射を使用して制御しました。その類似体に対するそのようなシステムの重要な利点は、量子ビットと外部場および相互の相互作用の強さを簡単に調整できることです。これにより、そのような鎖をよく説明するイジングモデルのパラメータを変更することにより、時間の結晶の状態が発生する条件とその安定性を調査することができます。

製造された一時的な結晶の真実を確認するために、著者はいくつかの基準を満たさなければなりませんでした。結晶コヒーレンスのサイズと時間の制限は、量子ビットの数を増やし、デコヒーレンスの影響を平衡状態への遷移(熱化)の影響から分離することによって拡張可能である必要があります。一時的な結晶のスペクトル全体は、それ自体の状態に従って順序付けする必要があります。

物理学者は、設置がすべての基準を満たしていることを証明するために一連の測定を実行しました。特に、キュービットの特性の時間的周期性は、自己相関関数、量子スクランブラーを使用した無秩序の導入、およびシステムに対する追加の時間反転アクションを使用した熱化からのデコヒーレンスの分離を使用して調査されました。最後に、科学者たちは、8、12、16キュービットのチェーンに対して実験を繰り返し、調査中の状態の時空制約が増加しているかどうかを確認しました。著者によると、後者は真の時間的結晶をスケーリングするための基礎を提供します。

現時点では、真のタイムクリスタルが実用化できるかどうかは完全には明らかではありません。しかし、著者によると、彼らの結果は、安定した非平衡相の存在の概念的な可能性を示しています。最終的に、そのような研究は、空間と時間の性質を異なる角度から見る機会を提供します。さらに、量子プロセッサ上に一時的な結晶を作成することは、量子コンピュータの開発の追加の動機となる可能性があります。

時間結晶の物理学は、文字通り目の前で発達している分野の1つです。イッテルビウム原子とボーズ凝縮体に一時的な結晶を作る方法についてはすでに話しましたが、マグノン上の一時的な結晶は室温でも安定していることがわかりました。

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