スタンフォード大学とグーグルは、量子コンピューターを使用してタイムクリスタルを作成するために協力しています

スタンフォード大学とグーグル大学の研究者を含む研究者のチームは、時間結晶として知られる物質の新しい段階を作成し、観察しました。

量子物理学の力を利用して前例のない複雑さの計算を実行できるコンピューターを設計するための世界的な多大な努力があります。 そのような量子コンピューターを作成する上で、手ごわい技術的ハードルが依然として残っていますが、現在のプロトタイプは依然として印象的な偉業を達成することができます。

たとえば、「タイムクリスタル」と呼ばれる物質の新しい相を作成します。 水晶の構造が空間で繰り返されるのと同じように、時間結晶は時間で繰り返されます。最も重要なのは、電池なしで永遠に動作する時計のように、他のエネルギー入力なしで無限に繰り返されることです。 物質のこの段階の追求は、理論と実験における長年の挑戦であり、ついに報われました。

ジャーナルで2021年11月30日に公開された研究で 気性の性質、スタンフォード大学、Google Quantum Eye、Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems、オックスフォード大学の科学者チームが、GoogleSycamoreを使用したタイムクリスタルの作成について詳しく説明しました。 定量的統計 ハードウェア。

タイムクリスタルの作成に使用されるGoogleSycamoreチップ。 クレジット：Google Quantum AI

スタンフォード大学のポスドク研究員であり、この研究の共同主執筆者であるマッテオ・イッポリティは述べた。 「計算の代わりに、私たちはコンピューターを、物質の新しい段階を認識して発見するための新しい実験プラットフォームとして機能させるようにしました。」

チームにとって、彼らの成果の興奮は、物質の新しい段階を作り出すことだけでなく、多くの人々の集合的な相互作用によってもたらされる新しい現象と特性を研究する物性物理学の分野で新しいシステムを探索する機会を開くことにあります。システム内のもの。 （このような相互作用は、個々の生物の特性よりもはるかに豊富である可能性があります。）

「時間結晶は、物質の新しいタイプの非平衡量子相の顕著な例です」と、スタンフォード大学の物理学の助教授であり、研究論文の筆頭著者であるVidikaKhemaniは述べています。 「物性物理学の私たちの理解の多くは平衡システムに依存していますが、これらの新しい量子デバイスは、マルチボディ物理学の新しい非平衡システムへの魅力的な窓を提供します。」

なんてクリスタルタイムなのか、そうでないのか

今回のクリスタルを作るための基本的な材料は次のとおりです。ミバエに相当する物理的なものと、それを後押しするものです。 物理学のショウジョウバエはイジングモデルであり、相転移や磁性などのさまざまな物理現象を理解するための長年のツールであり、各粒子の位置が占める格子で構成され、上下の回転として表される2つの状態になります。

大学院時代、キマニは博士課程の顧問であるシヴァージー・スンディでした。 プリンストン大学、およびMax Planck Institute for the Physics of ComplexSystemsのAchilleasLazaridesとRoderichMoessnerは、無意識のうちにこの時間結晶を作るためのレシピに出くわしました。 彼らは多くの物体の非平衡システムを研究していました-粒子がそれらが始まった状態で「スタック」し、平衡状態では決してリラックスできないシステムです。 彼らは、レーザーによって定期的に「キック」されたときにそのようなシステムで発生する可能性のあるフェーズを調査することに興味を持っていました。 彼らは安定した非平衡相を見つけることができただけでなく、粒子のスピンがパターン間で反転し、レーザーのコマンドの2倍の長さで、時間の経過とともに永遠に繰り返され、時間結晶を形成する相を見つけました。

シカモアスライスを収容するGoogleMitigationRefrigeratorのビュー。 クレジット：Google Quantum AI

レーザーの周期的な動きは、ダイナミクスの特定のリズムを設定します。 通常、巻線の「ダンス」はこのリズムと一致する必要がありますが、同時に水晶は一致しません。 代わりに、サイクルは2つの状態間で回転し、レーザーによってキックされた後にのみサイクルを完了します 2回。 これは、システムコンパイル時の整合性が無効になっていることを意味します。 対称性は物理学において基本的な役割を果たし、しばしば壊れます-通常の結晶、磁石、および他の多くの現象の起源を説明します。 ただし、他の対称性とは異なり、平衡状態で破ることができないため、時間変換の対称性は際立っています。 周期的なキックは、タイムクリスタルを可能にする抜け穴です。

発振周期を2倍にすることは珍しいことですが、前例のないことではありません。 長寿命の振動は、いくつかの粒子系の量子力学でも非常に一般的です。 タイムクリスタルをユニークなものにしているのは、エネルギーが入らずにこの種の協調的な振る舞いを示す何百万ものもののシステムであるということです。 また 漏れ出す。

オックスフォードの物理学教授で研究論文の共著者であるSundyは、次のように述べています。 「エネルギー供給もエネルギー枯渇もありません。そしてそれは永遠に続き、多くの反応性の高い粒子を含みます。」

これは「永久機関」に疑わしいほど近いように見えるかもしれませんが、よく見ると、時間結晶が物理法則に違反していないことがわかります。 エントロピー（システムの無秩序の尺度）は、時間の経過とともに一定のままであり、減少しないことで熱力学の第2法則をわずかに満たします。

タイムクリスタルのこの計画を作成してから、それを実現した量子コンピューターの実験までの間に、多くの異なる研究者チームによるいくつかの実験が、ほぼ時間内に多くのクリスタルのマイルストーンを達成しました。 ただし、「多体局在化」レシピ（無限に固定された時間の結晶化を可能にする現象）のすべての成分を提供することは、依然として大きな課題でした。

Khemaniとその協力者にとって、Crystalの成功を達成するための最後のステップは、Google QuantumAIのチームと協力することでした。 このグループは一緒に、GoogleのSycamore量子コンピューティングハードウェアを使用して、キュービットと呼ばれる古典的なコンピューターの情報の量子バージョンを使用して20個の「スピン」をプログラムしました。

現在、タイムクリスタルにどれだけの関心があるかを明らかにし、クリスタルは再び 化学 今月。 この結晶は、オランダのデルフト工科大学の研究者によってダイヤモンド内部の量子ビットを使用して作成されました。

量子チャンス

研究者たちは、量子コンピューターの特別な機能のおかげで、リアルタイム結晶の主張を確認することができました。 （不完全な）量子デバイスの有限のサイズとコヒーレンス時間は、実験のサイズと期間が制限されていることを意味しましたが、結晶の振動は無期限ではなく数百サイクルしか観察できないため、研究者はさまざまなプロトコルを考案してそれらの作成の安定性。 これらには、シミュレーションを時間的に前後に実行し、スケールアップすることが含まれていました。

「量子コンピューターの創意工夫を利用して、その限界を分析することができました」と、研究論文の共著者であり、マックスプランク複合システム物理研究所の所長であるメスナーは述べています。 「彼は基本的に自分のエラーを修正する方法を教えてくれたので、限られた時間の観察でタイムクリスタルの完璧な振る舞いの指紋を確認することができました。」

理想的なタイムクリスタルの主な特徴は、不確定な振動を示すことです。 みんな 州。 状態を選択する際のこの能力を検証することは、主要な実験的課題であり、研究者は、わずか数ミリ秒の実行時間を必要とする、デバイスのわずか1サイクルで100万を超える時間結晶の状態を調べるプロトコルを考案しました。 これは、物理的な結晶をさまざまな角度から見て、その繰り返し構造を確認するようなものです。

「私たちの量子プロセッサのユニークな特徴は、非常に複雑な量子状態を作成する能力です」と、Googleの研究者で研究論文の共同筆頭著者であるXiaoMeiは述べています。 「これらの状態により、計算空間全体を調査することなく、材料の相構造を効果的に調査することができます。これは、他の方法では困難な作業です。」

物質の新しい段階を作り出すことは、間違いなく基本的なレベルでエキサイティングです。 さらに、これらの研究者がこれを行うことができたという事実は、コンピューティング以外のアプリケーションに対する量子コンピューターの有用性が高まっていることを示しています。 グーグルの研究者で論文の筆頭著者であるペドラム・ローシャンは、次のように述べています。

「現在、量子コンピューターの最もエキサイティングな用途は、基本的な量子物理学のプラットフォームとしてであると私たちは考えています」とIppoliti氏は述べています。 「これらのシステムのユニークな機能により、あなたが予期していなかったいくつかの新しい現象を発見することが期待されています。」

参考：Xiao Mi、Matteo Ippoliti、Chris Quintana、Ami Greene、Zijun Chen、Jonathan Gross、Frank Arute、Kunal Arya、Juan Atalaya、Ryan Babbush、Joseph C. Bardin、Joaoによる「量子プロセッサでの固有状態の時間-結晶ランキング」 Basso、Andreas Bengtsson、Alexander Bilmes、Alexander Borassa、Leon Brill、Michael Bruton、Bob Buckley、David A. Boyle、Brian Burkett、Nicholas Bushnell、Benjamin Quiarro、Roberto Collins、William Courtney、Drepto DeBroy、Sean Demora、Alan R. Dirk 、Andrew Dunsworth、Daniel Ebbins、Katherine Erickson、Edward Farhey、Austin J. Fowler、Brooks Fox、Craig Gedney、Marisa Justina、Matthew P. Harrigan、Sean D. Harrington、Jeremy Hilton、Alan Ho、Sabrina Hong、Trent Huang、Ashleyホーブ、ウィリアムJ. Huggins、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. Korotkov、Fedor Kostritsa、David Landhuis、Pavel Laptev、Joonho Lee、Kenny Lee、Aditya Locharl A、Eric Lucero、Orion Martin、Jarrod R MacLean、Trevor McCourt、Matt McQueen、Kevin C. Meow、Masoud Mohseni、Shirin Montazeri、Wojciech Morozkocz 、Ofer Naaman、Matthew Neely、Charles Neal、Michael Newman、Murphy ThomasYusinnee O’Brien、Alex Obrimshak、Eric Ostby、Balint Pato、Andrei Petukhov、Nicholas C. Rubin、Daniel Sank、Kevin J. Satzinger、Vladimir Schwarz、Yuan Su、Doug Strin、Marco Szalay、Matthew D. Trevithick、Benjamin Villalonga、Theodore White、Z。 Jimmy Yao、Bing Yeh、Guo-Huan Yu、Adam Zilkmann、Hartmut Nevin、Sergio Boyxo、Vadim Smiliansky、Anthony Migrant、Julian Kelly、Yu Chen、SL Sunde、Rodrich Mosner、Constantin Kishidji、Fedramica Khoshani、2021年11月30日 気性の性質。
DOI：10.1038 / s41586-021-04257-w

この作業は、スタンフォード大学、Google Quantum AI、Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems、およびオックスフォード大学が主導しました。 完全な著者リストは、次のURLで入手できます。 気性の性質 論文。

この研究は、国防高等研究計画局（DARPA）によって資金提供されました。ダルパ）、Google Research Award、Sloan Foundation、Gordon and Betty Moore Foundation、およびDeutscheForschungsgemeinschaft。