Časové krystaly vytvořené v kvantovém procesoru Google

Časové krystaly zní jako něco, co by se postava z videohry snažila shromáždit, ale tato bizarní fáze hmoty je velmi reálná – a nyní byl jeden z nich vytvořen v kvantovém procesoru Google, Sycamore.

Pravidelné krystaly se vyznačují vysoce uspořádanou strukturou atomů v opakujícím se vzoru. Takže pokud se tyto atomy opakují v prostoru, mohly by místo toho existovat jiné krystaly se vzorem, který se opakuje v čase? A jak by to mohlo vypadat? V roce 2012 laureát Nobelovy ceny Frank Wilczek vyslovil hypotézu, že by tyto takzvané časové krystaly mohly existovat, a do roku 2016 byly experimentálně vytvořeny v laboratoři. Pozdější studie je našly v dětské sadě na pěstování krystalů a pozorovaly, jak se vzájemně ovlivňují.

V časovém krystalu se atomy pohybují ve vzoru, který se periodicky opakuje – takže se například jejich rotace střídají nahoru a dolů v předvídatelném tikajícím pohybu. Ale co je divné, je to, že tento rytmus nesleduje frekvenci síly, která ho spustila, a v dokonalém systému budou atomy tikat věčně bez jakéhokoli dalšího zásahu.

Obvyklou analogií je nejpodivnější miska želatiny na světě. Normálně, když na věc klepnete, očekáváte, že se bude několik sekund chvět, pak se zastaví, dokud na ni znovu neklepnete. To, co byste nečekali, je, že stráví věčnost střídáním chvění a nehnětení, po pouhých dvou klepnutích – ale to dělá časový krystal.

Může to znít jako paradox, který se příliš blíží perpetum mobile, ale krystaly času technicky zákony termodynamiky neporušují. Energie je zachována v systému jako celku a entropie (míra neuspořádanosti) neklesá, ale zůstává konstantní.

Nyní vědci prokázali časový krystal v kvantovém procesoru společnosti Google Sycamore. Tým přerušil mřížku 20 qubitů – kvantových bitů informací – pomocí laseru, aby nastartoval „tikaní“. Pak by qubity otočily své rotace pouze jednou za každé dva laserové pulsy, čímž by narušily symetrii časové translace a vytvořily časový krystal. Důležité je, že tým říká, že to bylo poprvé, kdy krystaly vykazovaly „lokalizaci mnoha těl“, jev, který je udržuje stabilní.

V tomto konkrétním experimentu byli vědci schopni pozorovat systém pouze několik stovek cyklů, ale tvrdí, že byli schopni ověřit dlouhodobou stabilitu časových krystalů pomocí simulací prováděných samotným kvantovým počítačem.

„Podařilo se nám využít všestrannost kvantového počítače, aby nám pomohla analyzovat jeho vlastní omezení,“ říká Roderich Moessner, spoluautor studie. „V podstatě nám řekl, jak opravit své vlastní chyby, aby bylo možné zjistit otisk ideálního časově krystalického chování z pozorování v konečném čase.“

Výzkum byl publikován v časopise Příroda.

Zdroj: Stanford