Tính linh hoạt của máy tính lượng tử đã giúp các nhà vật lý tạo ra một “tinh thể thời gian”, một giai đoạn mới của vật chất.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra thành công một “tinh thể thời gian”, một giai đoạn mới của vật chất, với sự hỗ trợ của máy tính lượng tử , theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature hôm thứ Ba.
Tinh thể thời gian, được đề xuất lần đầu tiên bởi nhà vật lý Frank Wilczek vào năm 2012, là một giai đoạn của vật chất lặp lại theo thời gian, tương tự như cách cấu trúc của một tinh thể thông thường lặp lại trong không gian. Điều đó có nghĩa là các hạt trong tinh thể chuyển đổi vĩnh viễn giữa hai trạng thái mà không yêu cầu thêm năng lượng đầu vào và không mất bất kỳ năng lượng nào.
Những tinh thể này là những vật thể đầu tiên phá vỡ cái được gọi là “đối xứng dịch thời gian”, một quy tắc trong vật lý nói rằng một vật thể ổn định sẽ không thay đổi trong suốt thời gian. Tinh thể thời gian tránh quy luật này, vừa ổn định và luôn thay đổi.
Vì vậy, ví dụ, nước đá khi ổn định sẽ vẫn là băng và chỉ thay đổi khi nhiệt độ hoặc một yếu tố khác làm cho nó không ổn định. Một tinh thể thời gian sẽ thay đổi ngay cả khi ở trạng thái cơ bản, hoạt động khác với tất cả các giai đoạn khác của vật chất.
Nhưng các nhà khoa học vẫn cần tìm ra cách tạo ra giai đoạn này của vật chất. Họ chuyển sang một hiện tượng gọi là bản địa hóa nhiều cơ thể.
Bản địa hóa nhiều cơ thể là khi một chuỗi các hạt lượng tử một chiều bị mắc kẹt trong một trạng thái cố định. Theo Tạp chí Quanta , mỗi hạt trong chuỗi đều có hướng từ tính (được gọi là “spin”) hướng lên, hướng xuống hoặc theo một xác suất nhất định của cả hai hướng .
Ví dụ, hãy tưởng tượng các hạt được thiết lập sao cho hạt đầu tiên hướng lên, hạt tiếp theo hướng xuống, hạt sau hướng xuống và hạt sau hướng lên. Thông thường, các spin lượng tử sẽ dao động và căn chỉnh một cách cơ học, nếu có thể.
Nhưng với sự giao thoa ngẫu nhiên giữa các hạt hạn chế hoạt động của chúng, hàng hạt có thể bị mắc kẹt trong một cấu hình cụ thể, không thể sắp xếp lại hoặc ổn định về trạng thái cân bằng nhiệt. Họ sẽ chỉ vào cấu hình đó vô thời hạn.
Vào năm 2014, Vedika Khemani, một nhà vật lý vật chất cô đặc hiện đang làm việc tại Stanford và Shivaji Sondhi, cố vấn tiến sĩ của cô tại Princeton vào thời điểm đó, đã phát hiện ra rằng các hệ thống bản địa hóa nhiều cơ thể có thể thể hiện một loại trật tự đặc biệt: nếu tất cả đều quay trong hệ thống đã bị lật, nó sẽ là một trạng thái ổn định khác, được bản địa hóa nhiều cơ thể, theo Tạp chí Quanta.
Điều này có nghĩa là nếu hệ thống được kích hoạt bằng tia laser, nó sẽ luân chuyển mãi mãi giữa hai trạng thái mà không hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng từ tia laser.
Khemani và Sondhi, cùng với Achilleas Lazarides và Roderich Moessner tại Viện Vật lý Hệ phức hợp Max Planck, đã có thể tìm ra một hệ thống như vậy, trong đó các vòng quay của các hạt đảo lộn giữa các mô hình lặp đi lặp lại mãi mãi, với chu kỳ gấp đôi chu kỳ đó. của tia laser.
Hệ thống này là duy nhất bởi vì nó là một hệ thống gồm hàng triệu vật dao động giữa hai trạng thái, chỉ hoàn thành một chu kỳ khi được tia laser thúc vào hai lần và làm như vậy mà không hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng.
Một bài báo trên trang web của Stanford nhấn mạnh rằng mặc dù điều này nghe có vẻ giống như một “cỗ máy chuyển động vĩnh viễn”, sẽ phá vỡ các định luật vật lý bằng cách cho phép chuyển động vĩnh viễn mà không cần bất kỳ nguồn năng lượng bên ngoài nào, nhưng thực tế không phải vậy.
Entropy – thước đo mức độ rối loạn trong hệ thống – vẫn đứng yên, không tăng nhưng cũng không giảm, có nghĩa là nó vẫn phù hợp với định luật thứ hai của nhiệt động lực học, quy luật rằng độ rối loạn không thể giảm, nhưng cho phép độ rối loạn duy trì ở mức không đổi. miễn là quá trình có thể đảo ngược.
Một ví dụ về quá trình thuận nghịch là một chất khí chảy qua một đường ống được thắt chặt ở giữa. Khi dòng chảy di chuyển qua phần bị thắt lại của đường ống, áp suất, nhiệt độ và vận tốc của nó thay đổi, nhưng những giá trị này sẽ trở lại điều kiện ban đầu sau khi chúng đi vào phần mở rộng của đường ống, có nghĩa là sự thay đổi trong entropy bằng không.
Trong khi những nỗ lực khác đã tiến gần đến việc tạo ra một tinh thể thời gian, tinh thể được mô tả trong nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature là loại tinh thể đầu tiên đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết để tạo ra một tinh thể thời gian thực sự ổn định vô hạn.
Quyền truy cập vào phần cứng máy tính lượng tử Sycamore của Google là điều đã cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra bước đột phá.
Mặc dù phần cứng vẫn chưa hoàn hảo, có nghĩa là thử nghiệm vẫn bị giới hạn về kích thước và thời lượng, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một số giao thức cho phép họ đánh giá độ ổn định của tinh thể thời gian, bao gồm chạy mô phỏng tiến và lùi theo thời gian và mở rộng quy mô kích thước.
Roderich Moessner, đồng tác giả của bài báo và là giám đốc tại Viện Vật lý Hệ phức hợp Max Planck cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng tính linh hoạt của máy tính lượng tử để giúp chúng tôi phân tích những hạn chế của chính nó. “Về cơ bản, nó cho chúng tôi biết cách sửa chữa các lỗi của chính nó, để dấu vết của hành vi kết tinh thời gian lý tưởng có thể được xác định từ các quan sát thời gian hữu hạn.”
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một con chip có 20 qubit – các hạt lượng tử có thể điều khiển được, duy trì hai trạng thái có thể có, 0 và 1, cùng một lúc – được làm từ các dải nhôm siêu dẫn, theo Tạp chí Quanta. Các trạng thái đã được lập trình để đại diện cho các vòng quay lên hoặc xuống.
Các nhà lập trình đã có thể ngẫu nhiên hóa cường độ tương tác của các qubit, tạo ra sự giao thoa cần thiết để khóa các hạt vào một mô hình quay tập hợp thay vì để chúng thẳng hàng.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một số lượng lớn các cấu hình ban đầu để xem liệu tất cả chúng có thể bị khóa vào một dạng vòng quay dao động vĩnh cửu sẽ dao động với hai lần chu kỳ phát ra, thăm dò hơn một triệu trạng thái chỉ trong một lần chạy máy.
Họ cũng có thể ngoại suy các xu hướng từ các hệ thống tương đối nhỏ có thể được tạo ra trên phần cứng của Sycamore đến các hệ thống lớn hơn nhiều. Các nhà nghiên cứu cũng có thể chỉ ra rằng, ngoại trừ sự suy giảm liên kết trong bản thân bộ xử lý, không có sự gia tăng entropy trong chính hệ thống được mô phỏng.
Tất cả những phát hiện này cùng nhau củng cố đáng kể cho trường hợp tồn tại của các tinh thể thời gian hơn những thí nghiệm trước đây có thể làm được.
“Tôi lạc quan rằng với ngày càng nhiều qubit tốt hơn, cách tiếp cận của chúng tôi có thể trở thành phương pháp chính trong việc nghiên cứu các động lực học không cân bằng,” Pedram Roushan, nhà nghiên cứu tại Google và là tác giả cấp cao của bài báo cho biết.
Matteo Ippoliti, một học giả sau tiến sĩ tại Stanford và đồng tác giả của công trình cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng việc sử dụng thú vị nhất đối với máy tính lượng tử hiện nay là làm nền tảng cho vật lý lượng tử cơ bản. “Với những khả năng độc đáo của những hệ thống này, có thể hy vọng rằng bạn có thể khám phá ra một số hiện tượng mới mà bạn chưa dự đoán được”.
Vào thứ Bảy, một nhóm khác tại QuTech , sự hợp tác giữa Đại học Công nghệ Delft và Tổ chức Nghiên cứu Khoa học Ứng dụng Hà Lan (TNO), đã công bố phát hiện của họ về một tinh thể thời gian mà họ đã tạo ra bằng một bộ xử lý lượng tử kéo dài khoảng tám giây.
Joe Randall cho biết trên trang web của QuTech: “Trong khi về nguyên tắc, một tinh thể thời gian cô lập hoàn toàn có thể tồn tại vĩnh viễn, thì bất kỳ quá trình triển khai thí nghiệm thực tế nào cũng sẽ bị phân hủy do tương tác với môi trường”. “Mở rộng hơn nữa thời gian tồn tại là biên giới tiếp theo.”
Nhóm QuTech đã sử dụng chín bit lượng tử và điều khiển chúng để khóa vòng quay của chúng thành một mô hình đảo ngược định kỳ được hình thành từ nhiều trạng thái ban đầu khác nhau.
Nhóm đã đề cập đến nghiên cứu được thực hiện trên máy tính lượng tử Google Sycamore, với Tim Taminiau, trưởng nhóm điều tra tại QuTech, nói rằng “Thật vô cùng thú vị khi nhiều đột phá thử nghiệm đang diễn ra đồng thời.”
Taminiau cho biết: “Tất cả các nền tảng khác nhau này bổ sung cho nhau. Thử nghiệm của Google sử dụng số qubit nhiều gấp hai lần, tinh thể thời gian của chúng ta sống lâu hơn khoảng mười lần”.
