Được hình thành lần đầu tiên cách đây khoảng một thập kỷ, tinh thể thời gian là một dạng vật chất mới có sự tương đồng kỳ lạ với một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu. Về mặt lý thuyết, các bộ phận của nó có thể chuyển động theo một chu kỳ lặp lại mà không tiêu tốn năng lượng vĩnh viễn, giống như một chiếc đồng hồ chạy mãi mãi mà không cần pin.
Các nhà khoa học đã chạy đua để tạo ra giai đoạn vật chất mới lạ này trong nhiều năm. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Google Quantum A I và các đồng nghiệp của họ tiết lộ rằng họ đã tạo ra các tinh thể thời gian bằng cách sử dụng phần cứng máy tính lượng tử Sycamore của Google , những phát hiện mà họ đã trình bày chi tiết trực tuyến vào ngày 30 tháng 11 trên tạp chí Nature .
Trong khi các máy tính cổ điển bật hoặc tắt các bóng bán dẫn để ký hiệu dữ liệu là một và 0, thì máy tính lượng tử sử dụng các bit lượng tử, hoặc qubit , do bản chất của cơ học lượng tử, có thể tồn tại ở trạng thái chồng chất nơi chúng đồng thời là 1 và 0. . Bằng cách liên kết các qubit với nhau thông qua một hiệu ứng lượng tử được gọi là sự vướng víu, một máy tính lượng tử 300 qubit về mặt lý thuyết có thể thực hiện nhiều phép tính ngay lập tức hơn so với số nguyên tử trong vũ trụ nhìn thấy được. Vào năm 2019, Google lập luận rằng họ đã sử dụng Sycamore để hiển thị ” tính ưu việt lượng tử “, tìm kiếm câu trả lời cho các vấn đề mà không máy tính cổ điển nào có thể giải quyết được.
Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống 20 qubit không phải để tính toán mà để nhận ra các tinh thể thời gian. Để tìm hiểu thêm, chúng tôi đã nói chuyện với nhà khoa học nghiên cứu nhân viên của Google Kostyantyn Kechedzhi và nhà khoa học nghiên cứu cấp cao của Google Xiao Mi, người đã tiến hành phần lớn nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Cuộc trò chuyện đã được chỉnh sửa cho dài và rõ ràng.
IEEE Spectrum: Tinh thể thời gian là gì?
Kostyantyn Kechedzhi: Tinh thể là một hệ thống gồm nhiều nguyên tử, do tương tác lẫn nhau, chúng tự tổ chức thành một mô hình tuần hoàn trong không gian. Tinh thể thời gian là một hệ thống lượng tử gồm nhiều hạt tự tổ chức thành một dạng chuyển động tuần hoàn — tuần hoàn trong thời gian chứ không phải trong không gian — tồn tại vĩnh viễn.
Spectrum: Bạn có thể so sánh tinh thể thời gian với điều gì trong tự nhiên?
Kechedzhi: Chuyển động tuần hoàn liên tục rất quen thuộc trong tự nhiên. Một hệ hai vật thể khối lượng lớn hút nhau do lực hấp dẫn là ví dụ đơn giản nhất — hai vật thể chuyển động quanh khối tâm chung theo những quỹ đạo tuần hoàn nghiêm ngặt. Ngay từ cái nhìn đầu tiên, đây có thể giống như một ví dụ về một viên pha lê thời gian. Tuy nhiên, điểm mới quan trọng của tinh thể thời gian là chuyển động tuần hoàn của một hệ gồm nhiều vật thể tương tác với nhau.
Một hệ thống gồm nhiều vật thể tương tác thể hiện một hành vi hoàn toàn khác so với chỉ hai vật thể khối lượng lớn quay quanh nhau — thay vì các kiểu lặp lại, chuyển động liên tục thay đổi. Ví dụ, trong hệ mặt trời, các hành tinh đi theo các quỹ đạo gần đúng tuần hoàn, nhưng hành vi thực sự của các hành tinh là hỗn loạn, có nghĩa là một hành tinh có độ lệch nhỏ so với đường đi của nó ngày nay sẽ dẫn đến một quỹ đạo được định hình lại hoàn toàn theo thời gian, mặc dù hàng tỷ nhiều năm.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học giả định rằng các hệ thống gồm nhiều vật thể tương tác có xu hướng mất trật tự hơn, điều này xuất hiện mâu thuẫn với chuyển động tuần hoàn nghiêm ngặt của một tinh thể thời gian. Tuy nhiên, một hệ thống gồm nhiều vật thể lượng tử tương tác có thể chứng minh chuyển động tuần hoàn mà không vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học do một hiện tượng lượng tử cơ bản được gọi là bản địa hóa nhiều vật thể.
Tinh thể thời gian là một hệ thống lượng tử gồm nhiều hạt tự tổ chức thành một dạng chuyển động tuần hoàn — tuần hoàn trong thời gian chứ không phải trong không gian — tồn tại vĩnh viễn.
Spectrum: Vì vậy, trong công việc mới của mình, bạn đã tạo ra một tinh thể thời gian cục bộ hóa nhiều cơ thể được định hướng theo định kỳ. Đây là một tinh thể thời gian bao gồm nhiều phần mà hoạt động của chúng được thúc đẩy bởi một chuỗi xung tuần hoàn được áp dụng bên ngoài. Và bằng cách bản địa hóa, bạn có nghĩa là các quy luật vật lý hoạt động ở vị trí cụ thể của tinh thể thời gian này để giúp giữ cho nó ổn định và không tiêu tán năng lượng?
Kechedzhi: Vâng. Đặc tính quan trọng của một hệ lượng tử cục bộ của nhiều đối tượng là xung hoặc lực bên ngoài đủ yếu tác dụng lên bất kỳ đối tượng nào sẽ ảnh hưởng đến các đối tượng lân cận của nó, nhưng sẽ không được cảm nhận trên toàn bộ hệ thống. Theo nghĩa này, phản hồi của hệ thống được bản địa hóa. Ngược lại, trong một hệ thống hỗn loạn, một sự xáo trộn nhỏ được cảm nhận trên toàn bộ hệ thống. Hiện tượng cục bộ ngăn cản sự hấp thụ năng lượng từ ổ đĩa ngoài.

Chip Google Sycamore GOOGLE QUANTUM AI
Tinh thể thời gian của bạn có thể so sánh như thế nào với những cỗ máy chuyển động vĩnh cửu?
Kechedzhi: Các tinh thể thời gian được quan sát trong thí nghiệm của chúng tôi không hấp thụ bất kỳ năng lượng ròng nào từ các xung được sử dụng để thúc đẩy hành vi của chúng. Đây có lẽ là lý do tại sao chúng thường được so sánh với những cỗ máy chuyển động vĩnh cửu.
Tuy nhiên, các cỗ máy chuyển động vĩnh viễn được cho là sẽ tạo ra công việc mà không cần nguồn năng lượng, điều này sẽ vi phạm định luật nhiệt động lực học. Ngược lại, chuyển động của một tinh thể thời gian không tạo ra công việc nếu không có nguồn năng lượng và do đó không vi phạm các quy luật vật lý.
Spectrum: Các tinh thể thời gian của bạn có bị phá vỡ theo thời gian không?
Kechedzhi: Bộ xử lý của chúng tôi không cách ly 100% khỏi môi trường và sự kết hợp yếu này với môi trường tạo ra thời gian tồn tại “bên ngoài” hữu hạn của tinh thể thời gian. Nói cách khác, sau một thời gian đủ dài, thứ tự sẽ bị mất và mô hình tuần hoàn không còn lặp lại nữa.
Spectrum: Tinh thể thời gian có thể có những ứng dụng nào?
Kechedzhi: Một tinh thể thời gian, giống như sắt từ hoặc tính siêu dẫn, một ví dụ về sự phá vỡ đối xứng tự phát, hoặc trật tự tự phát. Ví dụ, một nam châm về cơ bản là một hệ thống các nam châm nhỏ hơn nhiều mà các cực từ của chúng đều hướng về một hướng duy nhất, và theo nghĩa này là có thứ tự. Sự đối xứng được cho là bị phá vỡ “một cách tự nhiên” trong trạng thái như vậy, vì trong vật chất bình thường, các cực đều hướng theo các hướng ngẫu nhiên. Các ví dụ ổn định về sự phá vỡ đối xứng tự phát, như được thấy trong thuyết sắt từ hoặc điện trở biến mất của chất siêu dẫn, thường có giá trị công nghệ đáng kể.
Sự phá vỡ đối xứng tự phát có liên quan đến trạng thái cân bằng. Ví dụ, hãy nghĩ đến việc nước lỏng đóng băng thành tinh thể khi được đưa đến nhiệt độ thấp ổn định. Một đặc tính đáng chú ý của tinh thể thời gian mà chúng tôi quan sát được là trật tự tự phát của nó mặc dù nó bị lệch khỏi trạng thái cân bằng. Quan sát này mở ra cánh cửa để xác định các trạng thái không cân bằng khác của vật chất lượng tử với các loại trật tự mới.
Spectrum: Còn về các tinh thể thời gian đã được chứng minh là khó nghiên cứu, và tại sao?
Kechedzhi: Thách thức là sự cô lập của vật chất lượng tử khỏi môi trường của nó là không bao giờ hoàn hảo.
Spectrum: Tại sao sử dụng máy tính lượng tử để giúp tạo ra các tinh thể thời gian?
Xiao Mi: Máy tính lượng tử là nền tảng được lựa chọn để nhận ra các tinh thể thời gian vì chúng có các cổng logic lượng tử được hiệu chỉnh chính xác.
Spectrum: Cổng logic lượng tử là phiên bản tính toán lượng tử của các cổng logic mà máy tính thông thường sử dụng để thực hiện các phép tính?
Xiao Mi: Vâng. Các cổng logic lượng tử cho phép thực hiện các tương tác giữa nhiều cơ thể cần thiết cho các tinh thể thời gian tồn tại với độ chính xác rất cao.
Các nghiên cứu trước đây về tinh thể thời gian đều được thực hiện trên cái gọi là thiết bị mô phỏng lượng tử. Các nền tảng này thiếu độ chính xác của máy tính lượng tử. Kết quả là nhiều thí nghiệm trong số này sau đó bị phát hiện có sai sót do các tương tác ngoài ý muốn.
Spectrum: Bạn đã thể hiện điều gì trong nghiên cứu mới của mình?
Xiao Mi: Chúng tôi đã thiết kế các mạch lượng tử có các loại tương tác mà về mặt lý thuyết được cho là sẽ dẫn đến một tinh thể thời gian. Sau đó, chúng tôi thu thập dữ liệu từ các mạch lượng tử này và sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để xác minh rằng dữ liệu của chúng tôi phù hợp với hành vi tinh thể thời gian. Điều này bao gồm ba điều:
- Bất kỳ sự phân rã hoặc “tan chảy” nào của trật tự tinh thể thời gian chỉ được tạo ra bởi sự phân rã bên ngoài, không phải do động lực bên trong của hệ thống của chúng ta.
- Dấu hiệu của một tinh thể thời gian hiện diện bất kể trạng thái ban đầu của hệ thống.
- Chúng ta có thể xác định ranh giới của pha tinh thể thời gian – tức là nơi nó “tan chảy”.
Các cổng logic lượng tử cho phép thực hiện các tương tác giữa nhiều cơ thể cần thiết cho các tinh thể thời gian tồn tại với độ chính xác rất cao.
Spectrum: Cá nhân bạn thấy điều gì thú vị nhất về những kết quả này?
Xiao Mi: Tìm hiểu hành vi của các hạt tương tác gần điểm tới hạn của quá trình chuyển pha — ví dụ, nhiệt độ tan chảy của băng thành nước — là một vấn đề lâu dài trong vật lý và vẫn còn nhiều câu đố chưa giải được đối với các hệ lượng tử. Chúng tôi đã có thể mô tả đặc điểm của điểm chuyển pha giữa trạng thái hỗn loạn tinh thể thời gian và lượng tử. Đây là một hướng đi rất hứa hẹn cho các ứng dụng ban đầu của bộ xử lý lượng tử như một công cụ cho nghiên cứu khoa học, nơi các hệ thống kích thước khiêm tốn hàng chục hoặc hàng trăm qubit đã có thể cung cấp thông tin thực nghiệm mới về bản chất của quá trình chuyển pha.
Spectrum: Làm thế nào mà các tinh thể thời gian có thể dẫn đến máy tính lượng tử tốt hơn?
Xiao Mi: Có một vật thể như tinh thể thời gian ổn định chống lại sự can thiệp thực nghiệm có thể giúp thiết kế các trạng thái lượng tử tồn tại lâu dài, một nhiệm vụ quan trọng đối với sự cải tiến trong tương lai của các bộ xử lý lượng tử.
Spectrum: Một tinh thể thời gian khác được tạo ra bằng cách sử dụng qubit bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan. Làm thế nào bạn có thể phân biệt công việc của bạn với của họ?
Kechedzhi: Thí nghiệm Delft đã thực hiện một số giao thức được nêu trong công trình lý thuyết trước đó của chúng tôi, giúp phân biệt các tinh thể thời gian cục bộ nhiều cơ thể với cái gọi là tinh thể thời gian tiền nhiệt được quan sát trong những năm gần đây. Trong khi các tinh thể thời gian tiền nhiệt được đặc trưng bởi thời gian sống nội tại hữu hạn, các tinh thể thời gian cục bộ nhiều cơ thể được đặc trưng bởi thời gian tồn tại phân kỳ – tức là dài vô hạn – thời gian sống nội tại.
Tính linh hoạt đặc biệt của bộ xử lý cho phép chúng tôi chứng minh rằng động lực học tinh thể thời gian vẫn tồn tại trong một loạt các thông số hệ thống. Một hệ quả của điều đó là quan sát của chúng tôi về sự chuyển pha giữa tinh thể thời gian và hành vi hỗn loạn. Sự hiện diện của sự chuyển pha gợi ý rằng tinh thể thời gian là một trạng thái vật chất khác biệt với trạng thái nhiều cơ thể hỗn loạn phổ biến hơn, bao gồm cả các tinh thể thời gian tiền nhiệt.
Điều quan trọng, giao thức mà chúng tôi mô tả trong nghiên cứu mới của mình có khả năng mở rộng — nó có thể dễ dàng áp dụng cho một bộ xử lý lượng tử lớn hơn. Đây là kết quả của việc phân tích lý thuyết sâu hơn giúp cải thiện đáng kể công việc trước đây của chúng tôi mà thử nghiệm Delft đã dựa trên đó. Trong tương lai, tôi có thể thấy thử nghiệm của chúng tôi được lặp lại trên các hệ thống ngày càng lớn hơn.
Spectrum: Bạn nghĩ nghiên cứu của mình có thể đi theo hướng cụ thể nào từ đây?
Kechedzhi: Một trong những mục tiêu của chúng tôi là phát triển bộ xử lý của mình thành một công cụ khoa học cho vật lý và hóa học. Thách thức quan trọng là giảm lỗi trong thiết bị. Đây là chìa khóa cho các ứng dụng trong tương lai của bộ xử lý lượng tử và hiện thực hóa tính toán lượng tử có khả năng chịu lỗi. Nó cần được giải quyết thông qua các cải tiến trong phần cứng, các chiến lược giảm thiểu lỗi thuật toán và hiểu biết cơ bản về vai trò của tiếng ồn trong động lực lượng tử nhiều cơ thể.
Theo: Spectrum.