Các chất rắn kết tinh như kim cương có một đặc tính đặc trưng: cấu trúc của chúng là tuần hoàn trong không gian. Trong phần lớn thập kỷ qua, các nhà vật lý đã tự hỏi liệu một cấu trúc lặp lại, mạnh mẽ tương tự có thể tồn tại trong thời gian hay không. Tương tự với các tinh thể không gian, cấu trúc này được gọi là tinh thể thời gian, và trong khi kim cương có thể là mãi mãi, các tinh thể thời gian luôn thay đổi mãi mãi.
Crystals all the way down: Một bản vẽ nghệ thuật của một viên pha lê thời gian.
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số hệ thống vật lý có thể lưu trữ các tinh thể thời gian, bao gồm các nền tảng như trung tâm trống nitơ (NV) và các ion bị mắc kẹt . Gần đây nhất, sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu tại QuTech, TU Delft và UC Berkeley đã chứng minh dao động nhân đôi theo chu kỳ tồn tại lâu dài trong các trung tâm NV carbon-13 trong nhiều điều kiện ban đầu khác nhau. Tuy nhiên, mỗi nền tảng trước đây đều thiếu đầy đủ các khả năng cần thiết để nhận ra (và xác minh) một tinh thể thời gian chính hãng.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI và Đại học Stanford ở Mỹ đã xây dựng một tinh thể thời gian trên bộ xử lý lượng tử Sycamore của Google, chứng minh rằng những vật thể kỳ lạ này cấu thành giai đoạn vật chất riêng biệt của chúng. Để làm như vậy, họ đã chạy một loạt “thí nghiệm” trên Sycamore, coi máy tính như một phòng thí nghiệm để kiểm tra xem tinh thể thời gian được đề xuất của họ có đáp ứng các yêu cầu nhất định hay không. Kết quả là lần đầu tiên thực nghiệm xác minh rằng một pha của vật chất có thể tồn tại bên ngoài trạng thái cân bằng nhiệt. Nó cũng cho thấy rằng ngay cả trong thế giới máy tính lượng tử quy mô trung gian (NISQ) ồn ào ngày nay, các bộ xử lý lượng tử đã có những ý nghĩa quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về vật lý.
Các giai đoạn của vật chất
Các giai đoạn của vật chất có nhiều loại, từ chất lỏng và khí phổ biến đến các pha lượng tử như chất siêu dẫn và chất ngưng tụ Bose – Einstein chỉ hình thành trong những điều kiện khắc nghiệt. Bất kể tính chất của chúng như thế nào, tất cả các pha đều có chung một phẩm chất chính: mỗi pha có một số khái niệm về trật tự, một cách định lượng kiểu mẫu của các hạt trong bộ sưu tập.
Ví dụ, chất rắn kết tinh thể hiện trật tự không gian. Khi một tinh thể hình thành, một tập hợp các điểm rời rạc từ không gian mở rộng liên tục trở thành locus cho các nguyên tử cách đều nhau của nó. Khi làm như vậy, hệ thống phá vỡ tính đối xứng vật lý nổi tiếng: đối với các định luật vật lý cơ bản có liên quan, không điểm nào trong không gian được ưu tiên hơn điểm nào khác. Sự thờ ơ vũ trụ này được phản ánh trong một tập hợp các đối xứng, hoặc các phép biến đổi, theo đó các quy luật này phải bất biến.
Một đối xứng như vậy, được gọi là đối xứng tịnh tiến liên tục, ngụ ý rằng việc dịch chuyển một hệ vật chất khép kín theo một lượng bất kỳ theo bất kỳ hướng không gian nào là không quan trọng. Trong quá trình hình thành, các tinh thể tự phát phá vỡ tính đối xứng liên tục này; nói cách khác, họ phá vỡ nó ngay cả khi hệ thống không bị ảnh hưởng rõ ràng đến bất kỳ lựa chọn điểm cụ thể nào. Mô hình lặp lại vẫn chỉ hiển thị đối xứng dịch rời rạc: nếu mọi nguyên tử bị dịch chuyển qua một khoảng, hoặc ô đơn vị, của tinh thể, thì cùng một tập hợp các vị trí không gian (ngoài các cạnh) sẽ giữ nguyên sự phân biệt của chúng.
Tinh thể thời gian đi vào cuộc chiến
Các lực lượng cơ bản của tự nhiên cũng coi mọi điểm đúng lúc với sự thờ ơ. Nói cách khác, các định luật vật lý luôn giống nhau từ ngày thứ hai đến ngày thứ hai và ngày này qua ngày khác. Sự bất biến này được gọi là phép đối xứng dịch thời gian liên tục. Cũng giống như các chất rắn kết tinh phá vỡ sự đối xứng tịnh tiến liên tục của không gian, các hệ thống như mặt dây chuyền lắc qua lắc lại và các hành tinh quay quanh các ngôi sao tạo ra khoảng thời gian vô hạn thành những khoảng thời gian đều đặn, rời rạc.
Tuy nhiên, không giống như không gian, thời gian trôi qua có màu không thể xóa nhòa bởi định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trong đó nói rằng entropi – lượng ngẫu nhiên hoặc rối loạn trong một hệ thống kín – không thể giảm theo thời gian. Các hệ thống đơn giản, như con lắc đơn hoặc quỹ đạo hành tinh, có thể thể hiện dao động ổn định, tồn tại lâu dài, vì có rất ít cách để các mảnh cấu thành của chúng tương tác với nhau và trao đổi năng lượng. Ngược lại, các dao động nhanh chóng không đồng bộ trong các hệ thống có nhiều bậc tự do (chẳng hạn như một tập hợp các con lắc được ghép nối), khi năng lượng tăng qua mọi đại lộ cho phép và hệ thống khám phá nhiều trạng thái có thể có.
Năm 2012, người đoạt giải Nobel vật lý Frank Wilczek đã đề xuất rằng một giai đoạn mở rộng của vật chất có thể thể hiện sự đều đặn và trật tự trong thời gian, đồng thời phá vỡ sự đối xứng dịch thời gian một cách tự nhiên. Tương tự với chất rắn kết tinh có trật tự không gian, Wilczek gọi pha đề xuất này là tinh thể thời gian lượng tử. Tại thời điểm đó, vẫn chưa rõ liệu một giai đoạn như vậy có thể thực sự tồn tại trong thế giới vật chất hay không, hay liệu entropi có dập tắt mọi hy vọng về trật tự kết tinh thời gian hay không.
Đề xuất ban đầu của Wilczek liên quan đến trạng thái cơ bản, hoặc cấu hình năng lượng thấp nhất, của một vòng siêu dẫn. Tự nó, chất siêu dẫn này hỗ trợ một dòng điện ổn định chạy mà không có điện trở. Nếu một dạng điện tích xen kẽ được gọi là sóng mật độ điện tích sau đó được chồng lên dòng điện không đổi này, các gợn sóng của điện tích sẽ phá vỡ đối xứng tịnh tiến liên tục của không gian thành đối xứng tịnh tiến rời rạc. Wilczek đưa ra giả thuyết kết hợp cả hai sẽ dẫn đến một hệ thống nhiều cơ thể ổn định với tính đối xứng dịch thời gian giảm (từ liên tục đến rời rạc).
Cần cho các pha không cân bằng
Vào năm 2014, các nhà vật lý lý thuyết Haruki Watanabe và Masaki Oshikawa đã giáng một đòn mạnh vào đề xuất của Wilczek và vào triển vọng của các tinh thể thời gian. Định lý “no-go” của họ tuyên bố rằng bất kỳ hệ nào ở trạng thái cân bằng nhiệt, bao gồm cả hệ Wilzcek, đều không thể là tinh thể thời gian. Thay vào đó, bất kỳ giai đoạn tinh thể thời gian nào cũng cần phải bước vào một lĩnh vực mới lạ lùng: vật lý không cân bằng.
Nhà lý thuyết tinh thể thời gian: Vedika Khemani là nhà lý thuyết vật chất cô đặc và là phó giáo sư vật lý tại Đại học Stanford.
Cùng khoảng thời gian đó, các nhà vật lý tại Đại học Princeton, Hoa Kỳ và Viện Max Planck ở Dresden, Đức đã làm việc nghiêm túc để xác định các giai đoạn như vậy. Trong nhiều năm, các nhà vật lý khác đã theo đuổi các chương trình nghiên cứu tương tự mà không thể hiện được rất nhiều điều, nhưng Vedika Khemani (hiện là giáo sư tại Stanford), Roderich Moessner , Shivaji Sondhi và các đồng nghiệp đã thành công, về mặt lý thuyết chứng minh được một giai đoạn không cân bằng ổn định. Công thức của họ bao gồm hai thành phần vật lý thiết yếu: lái xe định kỳ hoặc Floquet, và bản địa hóa nhiều cơ thể (MBL).
Khi một hệ mất trạng thái cân bằng, động lực của nó phải phụ thuộc không nhỏ vào thời gian, với trạng thái của hệ không ngừng phát triển. Hệ thống lái Floquet gợi lên động lực học như vậy bằng cách làm cho hệ thống tương tác với xung laser (hoặc vi sóng). Độ bền của sự kết hợp giữa hệ thống và tia laser thay đổi theo chu kỳ, và tính tuần hoàn này thay đổi tính đối xứng thời gian của hệ thống. Trong khi các lực cơ bản không phụ thuộc vào thời gian, các áp suất động lực được tạo ra bởi tia laze ghép lại là tuần hoàn. Theo quan điểm của hệ thống, tính đối xứng tịnh tiến của thời gian bây giờ là rời rạc thay vì liên tục, và vật lý chi phối của nó trông giống nhau chỉ ở những thời điểm được phân tách bằng bội số chính xác của chu kỳ lái Floquet.
Tuy nhiên, chỉ giảm đối xứng thôi, không phải pha lê thời gian tạo nên. Trong khi sự phá vỡ đối xứng tịnh tiến liên tục trong chất rắn kết tinh là tự phát, thì sự phá vỡ đối xứng thông qua dẫn động Floquet được tạo ra bằng cách ghép hệ thống với tia laser. Do đó, bất kỳ lúc nào tinh thể được xây dựng từ hệ thống điều khiển Floquet đều phải phá vỡ tính đối xứng tịnh tiến rời rạc mà nó kế thừa từ cơ chế dẫn động.
Trong các hệ thống điều khiển bằng Floquet, điều này thường được thực hiện thông qua một hiện tượng được gọi là nhân đôi chu kỳ, trong đó hệ thống rơi vào một chu kỳ đều đặn kéo dài gấp đôi khoảng thời gian của quá trình điều chỉnh nó. Hiện tượng này có từ năm 1837, khi Michael Faraday làm thí nghiệm với các lớp chất lỏng mỏng trên đỉnh của bệ giống như pít-tông dao động, và quan sát thấy rằng sóng dừng hình thành trong chất lỏng di chuyển với một nửa tần số của bộ dao động. Nhân đôi chu kỳ cũng không đảm bảo một tinh thể thời gian. Những gì nó làm được, khi được kết hợp với hệ thống nhiều cơ quan điều khiển Floquet, là tạo ra thứ tự kết tinh thời gian có thể – với một lưu ý lớn.
Trong hầu hết các hệ thống Floquet, tia laser dẫn động truyền năng lượng cho hệ thống theo từng chu kỳ. Khi hệ thống hấp thụ năng lượng này, cả nhiệt độ và entropi của nó đều tăng. Cuối cùng, tính ngẫu nhiên entropi lấn át bất kỳ thông tin nào có trong các mối tương quan không gian hoặc thời gian, và hệ thống không còn thể hiện bất kỳ thứ tự, tinh thể hay cách nào khác.
Bản địa hóa nhiều cơ thể để giải cứu
Tuy nhiên, có một loại hệ thống vật lý đặc biệt khắc phục được vấn đề này bằng cách vượt qua sự xâm lấn của entropy: các hệ thống thể hiện bản địa hóa nhiều cơ thể (MBL). Thuật ngữ “bản địa hóa” đề cập rộng rãi đến một tập hợp các hiện tượng trong đó các hạt hoặc đặc tính vật lý bị giới hạn trong chuyển động của chúng. Sự giam cầm này thường bắt nguồn từ sự rối loạn. Ví dụ, trong bản địa hóa Anderson, được đặt theo tên của người đoạt giải Nobel vật lý quá cố Phil Anderson , sự rối loạn trong mạng tinh thể làm cố định các electron mà nếu không thì sẽ tự do di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
Vật liệu mãi mãi: Bản vẽ pha lê thời gian của một nghệ sĩ.
Trong khi một tinh thể lý tưởng bao gồm các hạt nhân nguyên tử đồng nhất, dẫn đến một cấu trúc mạng tinh thể đều đặn, thì trong thực tế, các tinh thể có thể có điểm xuyết các khuyết tật – nghĩa là với các hạt nhân của các nguyên tố khác nhau xen kẽ ngẫu nhiên trong mạng tinh thể. Những khiếm khuyết này đẩy và kéo các điện tử theo các hướng khác nhau, tạo ra cảnh quan năng lượng tiềm năng phức tạp với các rãnh sâu và hẹp hoạt động như bẫy.
MBL, mà Anderson cũng đã đề xuất, là một loại bản địa hóa gây ra rối loạn đặc biệt xảy ra trong các hệ lượng tử tương tác. Khi một hệ thống nhiều cơ thể chịu sự ngẫu nhiên với số lượng nhỏ, những nhiễu loạn này có thể làm hỏng tính đối xứng toàn cục như sự bất biến tịnh tiến trong không gian. Tuy nhiên, một khi mức độ rối loạn vượt quá một ngưỡng nhất định, một tập hợp các đối xứng cục bộ mới xuất hiện, đóng băng các hạt tại chỗ.
Bị rối loạn nhiều cơ thể mạnh, các hạt trong hệ thống MBL không có cách nào hấp thụ năng lượng. Tương quan giữa các hạt được cố định ngay từ đầu, và entropy không đổi, chỉ vừa đủ thỏa mãn định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Điều quan trọng là hệ không bao giờ đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.
Rối loạn trật tự begets
Vào năm 2015, Khemani và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng việc lái xe Floquet và MBL cùng nhau tạo nên các tinh thể thời gian trở thành một khả năng khác biệt, do sự phá vỡ đối xứng tự phát của cái trước và sự né tránh entropy của cái sau. Tuy nhiên, có một thành phần khác. Chìa khóa để kết hợp lái Floquet và MBL để tạo ra một giai đoạn không cân bằng của vật chất là một thuộc tính của MBL được gọi là trật tự eigenstate.
Trong các pha thông thường của vật chất, các đại lượng vật lý được đo và tính trung bình trên một tập hợp nhiệt – một tập hợp các trạng thái ghi lại hoạt động của hệ ở một nhiệt độ cố định. Các trạng thái riêng lẻ trong bộ sưu tập đó, được gọi là eigenstates, phần lớn là không thể truy cập được và không liên quan. Mặt khác, trong các hệ thống MBL, nơi không bao giờ đạt được trạng thái cân bằng nhiệt, các trạng thái riêng lẻ này là rất cần thiết. Đối với các điều kiện ban đầu khác nhau, tính ngẫu nhiên bản địa hóa sẽ thúc đẩy hệ thống vào các cơ sở khác nhau.
Đơn hàng eigenstate cũng đặc biệt ở chỗ mỗi eigenstate đều có eigenstate đồng hành. Khi đối xứng dịch thời gian bị phá vỡ, thật khó để xác định một khái niệm nhất quán về năng lượng. Thay vào đó, sẽ rất hợp lý khi nói về khái niệm gần như năng lượng có liên quan chặt chẽ, được định nghĩa theo chu kỳ và hoạt động giống như một pha. Về lý thuyết, năng lượng hoặc gần như năng lượng có thể được ghép nối với nhau trong các hệ thống không phải MBL; Tuy nhiên, trên thực tế, mối quan hệ hợp tác này nhạy cảm với những khiếm khuyết nhỏ nhất. Trong hệ thống MBL, năng lượng liên kết không phải do ngẫu nhiên mà là do nó. Ngay cả trong những điều kiện không hoàn hảo, sự bình đẳng này là chính xác – một độ cứng khiến MBL rất phù hợp để xây dựng các tinh thể thời gian.
Gắn các mảnh lại với nhau
Trong nhiệm vụ xác định một giai đoạn không cân bằng của vật chất, Khemani và các cộng sự của cô đã xây dựng một mô hình lý thuyết tích hợp động cơ Floquet và MBL. Trong mô hình này, họ hình dung chuỗi hạt 1D, mỗi hạt có spin cơ lượng tử riêng. Mỗi hạt trong chuỗi được ghép nối với các hạt lân cận của nó và cũng chịu từ trường cục bộ của chính nó.
Các đặc tính kỹ thuật của tinh thể thời gian Còn lại: Trong một tinh thể thời gian rời rạc, tính tuần hoàn của ổ đĩa bị phá vỡ thêm bởi trạng thái của hệ thống. Đúng: Việc xây dựng một pha tinh thể thời gian đích thực đòi hỏi sự tương tác và rối loạn, cũng như cách ly với thế giới bên ngoài.
Ở trạng thái cân bằng, ngay cả khi tất cả các từ trường và cường độ ghép nối là đồng nhất, hệ thống này chỉ có thể thể hiện các pha từ trường. Ví dụ, một nam châm có tất cả các spin hướng lên hoặc xuống, trong khi trong paramagnet, mỗi spin hướng lên hoặc xuống riêng lẻ nhưng hệ thống không hiển thị ưu tiên tổng thể. Khi sự rối loạn được kết hợp với cường độ trường và các khớp nối, hệ thống tổ chức thêm một giai đoạn cục bộ nhiều cơ thể, trong đó các vòng quay hướng theo các hướng ngẫu nhiên. Pha này, được gọi là thủy tinh spin, có tên gọi tương tự với thủy tinh, là một chất rắn vô định hình bao gồm các nguyên tử nằm ngẫu nhiên.
Ngoài trạng thái cân bằng, mô hình tổ chức thêm hai giai đoạn nữa, một trong số đó là kết tinh thời gian. Trong kịch bản mà Khemani đã xem xét, hệ thống được điều khiển định kỳ bằng tia laser điều chỉnh cường độ khớp nối giữa các vòng quay lân cận, xen kẽ bên dưới và bên trên cường độ rối loạn gây ra sự cục bộ hóa nhiều cơ thể.
Đối với một cấu hình ban đầu nhất định của spin, sự rối loạn trước tiên buộc hệ thống vào một vật liệu kính spin-glass. Dao động giữa các tương tác yếu và mạnh, trong suốt một chu kỳ duy nhất, bộ truyền động Floquet quay tất cả các vòng quay 180 độ vào mặt phẳng đồng hành với bán năng lượng được ghép nối. Một chu kỳ khác quay các vòng quay thêm 180 độ, đưa hệ thống trở lại trạng thái đầu tiên. Dưới tác động của bộ truyền động Floquet, hệ thống dao động liên tục giữa hai trạng thái này, không bao giờ nóng lên hoặc tăng entropi.
Hệ thống quay này, dao động vĩnh cửu với chu kỳ gấp đôi chu kỳ của ổ Floquet, được gọi là kính quay pi (π-SG). Cùng với nhau, các con quay hiển thị mạnh mẽ sự phá vỡ đối xứng dịch thời gian tự phát trong một hệ thống nhiều phần với nhiều bậc tự do. “Để có được một giai đoạn không cân bằng ổn định trong một hệ thống nhiều cơ thể, bạn cần MBL,” Khemani tóm tắt. “Trong tương lai, chúng tôi có thể tìm thấy những cách khác để tạo ra tinh thể thời gian, nhưng trong cài đặt hiện tại, chúng tôi đã làm như vậy thông qua việc lái xe Floquet và đặt hàng eigenstate.”
Máy tính lượng tử như một phòng thí nghiệm
Trong vài năm qua, các tinh thể thời gian đã bắt đầu hành trình từ mô hình lý thuyết đến thực nghiệm. Tuy nhiên, mọi cuộc trình diễn thử nghiệm trước đây đều để lại điều mong muốn, cả về khả năng hiện thực hóa và xác minh. Thứ nhất, các nền được tạo ra từ các trung tâm NV hoặc các ion bị giữ lại thiếu một số thành phần thiết yếu để xây dựng hệ thống Sàn gỗ MBL. Tệ hơn nữa, ngay cả khi các nền tảng này có thể lưu trữ trật tự kết tinh thời gian, chúng sẽ không thể chứng nhận sự hiện diện của nó. Việc chứng minh nhân đôi chu kỳ cho một tập hợp các điều kiện cụ thể là tương đối dễ dàng trong các hệ thống này; cho thấy rằng nó xảy ra cho tất cả các điều kiện ban đầu là khó khăn hơn nhiều. Kết quả là, các thí nghiệm trước đó đã dừng lại rất ngắn trong việc thiết lập tinh thể thời gian như một giai đoạn của vật chất.
Sau đó, vào năm 2020, Khemani và Matteo Ippoliti , một học giả sau tiến sĩ trong nhóm của cô ấy tại Stanford, đã phát hiện ra một cơ hội. Trong khi các bộ xử lý lượng tử có thể, giống như các bộ xử lý cổ điển, chạy các thuật toán và tính toán truyền thống, chúng cũng cung cấp một thứ khác: điều khiển lập trình chưa từng có đối với thế giới lượng tử. Với các phép đo do trang web phân giải và các tương tác có thể điều chỉnh, bộ xử lý Sycamore của Google cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng chạy “thử nghiệm” một cách có hệ thống trên các hệ thống vật lý kỳ lạ. Khemani nói: “Cho đến gần đây, chúng tôi đã dành toàn bộ thời gian để suy nghĩ về vật lý cân bằng, đặc biệt là các đặc tính ở nhiệt độ thấp. “Nếu bạn nghĩ các thiết bị NISQ như Sycamore không phải là máy tính lượng tử mà là các thí nghiệm, thì các chế độ vật lý mới sẽ trở nên dễ tiếp cận. Tinh thể thời gian là một ví dụ về điều này ”.
Chào mừng bạn đến với phòng thí nghiệm: Bộ xử lý lượng tử Sycamore của Google.
Trong một bài báo gần đây được xuất bản trên tạp chí Physical Review X , Ippoliti, Khemani và các đồng tác giả đã phác thảo một loạt các thí nghiệm trên Sycamore để thiết lập trật tự không gian-thời gian mạnh mẽ trong mô hình Floquet-MBL ban đầu của Khemani. Kết hợp lại với nhau, những thí nghiệm này sẽ giúp lấp đầy những khoảng trống trong lập luận do các thí nghiệm trước để lại, cung cấp phát hiện rõ ràng đầu tiên về pha tinh thể thời gian trong phòng thí nghiệm. Bản in trước của bài báo này đã thu hút sự chú ý của Pedram Roushan, một nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI, và nhóm Google và các nhà nghiên cứu Stanford đã bắt đầu đưa các thí nghiệm được đề xuất vào hoạt động.
Thiết lập sự mạnh mẽ
Trong nghiên cứu mới nhất được công bố trên tạp chí Nature , các nhà nghiên cứu đã bắt đầu bằng cách tạo lại các điều kiện trong mô hình Floquet-MBL ban đầu của Khemani, sắp xếp các qubit của Sycamore thành một chuỗi và ghép các qubit lân cận lại với nhau bằng một xung vi ba thúc đẩy quá trình tiến hóa của chúng. Tuy nhiên, không giống như các thử nghiệm trước đây đã nghiên cứu trật tự không gian – thời gian, đối với Khemani và nhóm Google, việc mô phỏng hệ thống mới chỉ là bước khởi đầu. Với sự hợp tác của các tác giả chính Xiao Mi và Ippoliti, nhóm Google Quantum AI đã lập trình bộ xử lý lượng tử và cũng đã kiểm tra nghiêm ngặt độ ổn định của tinh thể thời gian trong các điều kiện khác nhau.
Một trong những yêu cầu mà các nhà nghiên cứu đã kiểm tra là sự nhân đôi chu kỳ xảy ra đối với tất cả các cấu hình ban đầu của vòng quay lượng tử. Nhân đôi chu kỳ được nhìn thấy đối với các trạng thái cụ thể trong nhiều hệ thống, nhưng trật tự kết tinh thời gian yêu cầu tất cả các trạng thái hiển thị hành vi này. Để điều tra vấn đề này, nhóm Google và các cộng tác viên của họ đã chuyển sang “tính điển hình lượng tử” – khái niệm cho rằng các trạng thái ngẫu nhiên, có độ vướng víu cao tiết lộ hành vi điển hình của hệ thống. Ngoài việc lấy mẫu tuần tự một số lượng lớn các cấu hình ban đầu để thăm dò các ngoại lệ, họ đã sử dụng các mạch xáo trộn để tạo ra một vài trạng thái ban đầu vướng víu, sau đó chúng sẽ được tiến hóa Floquet.
Yêu cầu thứ hai đối với các giai đoạn của vật chất là trật tự phải tồn tại khi hệ thống được tạo ra lớn một cách tùy ý. Mặc dù Sycamore chỉ cung cấp một số lượng qubit tương đối nhỏ, nhưng nhóm Google đã có thể thu thập thông tin chi tiết về các hệ thống lớn vô hạn thông qua một kỹ thuật được gọi là chia tỷ lệ kích thước hữu hạn. Kỹ thuật này, được các nhà nghiên cứu xuất ra từ bối cảnh ban đầu của nó trong các nghiên cứu số của các hệ thống vật lý, sử dụng các phép đo từ các hệ thống có kích thước nhỏ khác nhau để ngoại suy xu hướng cho các hệ thống lớn hơn nhiều.
Cuối cùng, bất kỳ giai đoạn nào của vật chất cũng phải thể hiện trật tự ổn định trong thời gian dài tùy ý. Tất nhiên, bất kỳ thí nghiệm thực tế nào, dù được thực hiện trên máy tính lượng tử hay trong phòng thí nghiệm truyền thống, đều bị giới hạn trong khoảng thời gian hữu hạn. Đối với Sycamore, thang thời gian giới hạn được đặt theo thời gian gắn kết của các qubit và độ trung thực của các hoạt động được thực hiện bởi bộ xử lý. Tuy nhiên, thông qua một loạt các thí nghiệm kiểm soát, các nhà nghiên cứu có thể phân biệt sự suy giảm mạch lạc trong bản thân bộ xử lý lượng tử với khả năng xảy ra động lực nội tại (và tăng entropi) trong hệ thống mô phỏng.
Cùng với nhau, những thí nghiệm này củng cố trường hợp tinh thể thời gian như một giai đoạn không cân bằng thực sự của vật chất. Roushan nói: “Không một bước xác minh nào trong số này là dứt khoát, nhưng nhìn chung, chúng cung cấp một bộ bằng chứng khá thuyết phục.”
Điểm chuẩn cho một trường đang phát triển
Các thí nghiệm của Khemani với nhóm Google trên Sycamore đánh dấu lần đầu tiên tất cả các yêu cầu đối với giai đoạn không cân bằng của vật chất đã được kiểm tra và xác minh một cách nghiêm ngặt. Khi làm như vậy, họ cũng đặt nền tảng quan trọng cho việc sử dụng các thiết bị NISQ trong nghiên cứu các hiện tượng không cân bằng. Xét về mặt lý thuyết, π-SG đã được nghiên cứu kỹ lưỡng như thế nào, các kết quả của Sycamore cung cấp một điểm chuẩn thực tế cho các thí nghiệm dựa trên bộ xử lý lượng tử khác. Roushan nói: “Chúng tôi mới chỉ nghiên cứu một góc nhỏ của vật lý có thể có. “Bộ xử lý lượng tử làm cho các chế độ vật lý hoàn toàn mới có thể truy cập và phù hợp. Công việc của chúng tôi nên đóng vai trò như một bản thiết kế cho những khám phá trong tương lai. “
Theo Physicsworld
