Creazione di cristalli temporali utilizzando nuove architetture di calcolo quantistico

Rappresentazione artistica di un cristallo a tempo discreto costituito da nove qubit rappresentati dallo spin nucleare di nove atomi di carbonio-13 nel diamante. La catena dei cicli collegati è bloccata in una fase in cui periodicamente invertono i loro stati. Credito: Joe Randall e Tim Tamino, per gentile concessione di QuTech

Il fisico dell’UC Berkeley Norman Yao lo descrisse per la prima volta cinque anni fa Come fare un cristallo del tempo Una nuova forma di materia i cui schemi si ripetono nel tempo piuttosto che nello spazio. A differenza dei cristalli di smeraldo o zaffiro, quei cristalli temporali sono esistiti solo per una frazione di secondo.

Ma è il momento dei cristalli temporali. Dal suggerimento originale di Yao, nuove idee hanno portato alla scoperta che i cristalli del tempo sono disponibili in molte forme diverse, ciascuna regolata dal proprio meccanismo.

usando file Statistiche quantitative Diversi laboratori si sono avvicinati alla creazione di una versione locale, multi-corpo di un cristallo temporale, che utilizza la perturbazione per mantenere i qubit quantistici periodicamente guidati in uno stato continuo di vibrazione sub-armonica: i qubit oscillano, ma solo ogni altro periodo dell’unità .

In un articolo pubblicato sulla rivista Scienza La scorsa settimana, Yao e i colleghi di QuTech, una collaborazione tra la Delft University of Technology e TNO, un gruppo di ricerca indipendente nei Paesi Bassi, hanno riportato la creazione di un cristallo temporale a più corpi che è durato circa otto secondi, corrispondenti a 800 oscillazioni. periodi. Hanno usato un computer quantistico basato sul diamante, in cui i qubit – bit quantistici, l’analogo dei qubit binari nei computer digitali – sono gli spin nucleari degli atomi di carbonio-13 incorporati nel diamante.

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“Mentre un cristallo temporale completamente isolato potrebbe, in linea di principio, vivere per sempre, qualsiasi vera applicazione sperimentale sarebbe degradata dalle interazioni con l’ambiente”, ha affermato Joe Randall di QuTech. “Allungare la vita è la prossima frontiera.”

Risultati, Pubblicato per la prima volta quest’estate su arXiv, in un esperimento quasi sincrono condotto da ricercatori di Google, Stanford e Princeton, utilizzando il computer quantistico superconduttore di Google, Sycamore. quella dimostrazione Ho usato 20 qubit fatti di strisce di alluminio superconduttore ed è durato circa otto decimi di secondo. I cristalli temporali di Google e QuTech sono indicati come fasi Floquet della materia e sono un tipo di materiale non in equilibrio.

“È molto eccitante avere più scoperte sperimentali che avvengono contemporaneamente”, afferma Tim Taminiau, Principal Investigator di QuTech. “Tutte queste diverse piattaforme si completano a vicenda. L’esperimento di Google utilizza il doppio dei qubit; il nostro cristallo di età vive circa 10 volte di più”.

Il team Qutech ha manipolato i nove qubit di carbonio-13 nel modo giusto per soddisfare i criteri per la formazione di un cristallo temporale multicorpo.

“Un cristallo temporale è probabilmente l’esempio più semplice di uno stato di squilibrio della materia”, ha affermato Yao, professore associato di fisica presso l’Università della California, Berkeley. “Il sistema QuTech è adatto per esplorare altri fenomeni di non equilibrio, tra cui, ad esempio, le fasi topologiche di Floquet”.

Questi risultati arrivano sulla scia di avvistamenti di cristalli in un altro momento, che includeva anche il gruppo di Yao, che è stato pubblicato in Scienza Diversi mesi fa. Lì, i ricercatori notano il cosiddetto cosa c’è prima? cristallo del tempo, dove le oscillazioni sub-armoniche sono stabilizzate dal pilotaggio ad alta frequenza. Gli esperimenti sono stati condotti presso il Monroe Laboratory dell’Università del Maryland utilizzando una catena unidimensionale di ioni atomici intrappolati, lo stesso sistema che ha osservato i primi segnali della dinamica dei cristalli temporali più di cinque anni fa. È interessante notare che, in contrasto con il cristallo temporale multicorpo locale, che è una fase innata di colpo di fortuna quantistica, i cristalli temporali pre-prateria possono esistere sia quantici che Fasi classiche della materia.

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Molte domande restano aperte. Esistono applicazioni pratiche per i cristalli temporali? La dissipazione può aiutare a prolungare la vita di un cristallo temporale? Più in generale, come e quando vengono bilanciati i sistemi quantistici pilotati? I risultati riportati mostrano che i difetti di spin nei solidi sono una piattaforma flessibile per lo studio sperimentale di queste importanti questioni aperte nella fisica statistica.

“La capacità di isolare le spinule dal loro ambiente pur controllando le loro interazioni offre una meravigliosa opportunità per studiare come le informazioni vengono conservate o perse”, ha affermato Francisco Machado, uno studente laureato presso l’Università della California, a Berkeley. “Sarebbe bello vedere cosa succede dopo”.

Riferimenti:

“Un cristallo temporale multicorpo discreto con un simulatore quantistico basato su spin programmabile” di J. Randall, CE Bradley, FV van der Gronden, A. Galicia, MH Abobeih, M. Markham, DJ Twitchen, F. Machado, NY Yao e Taminiau, 4 novembre 2021, Scienza.
DOI: 10.1126 / science.abk0603

“Osservazione di un sistema autostato cristallino del tempo su un processore quantistico” di Xiao Mei, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Amy Green, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arroot, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babos, Joseph Barden, Joao Basso, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexander Borassa, Leon Brill, Michael Bruton, Bob Buckley, David A. Boyle, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Benjamin Kiaro, Roberto Collins, William Courtney, Drepto DeBruy, Sean Demora, Alan R Dirk, Andrew Dunsworth , Daniel Ebbins , Catherine Erickson, Edward Farhey, Austin J. Fowler, Brooks Fox, Craig Gidney, Marisa Justina, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Jeremy Hilton, Alan Ho, Sabrina Hong, Trent Huang, Ashley Huff, William 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 Loc Harla, Eric Lucero, Orion Martin, Jarrod R. McClain, Trevor McCourt, Matt McQueen, Kevin C. Meow, Massoud Mohseni, Shirin Montazeri e Wojciech Murschkeewicz, Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Yusin E. O’ Brien, Alex Opremcak, Eric Ostby, Balint Pato, Andre Petukhov, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vladimir Shvarts, Yuan Su, Doug Strain, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jimmy Yao, Bing Yeh, Johuan Yu, Adam Zelkman, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Megarant, Julian Kelly , Wei Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Kostiantin Kishidze e Vidika Roshan, 28 luglio 2021, Fisica quantistica.
arXiv: 2107.13571

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“Osservazione di un cristallo temporale discreto prima dell’etere” di A. Kyprianidis, F. Machado, W. Morong, P. Becker, KS Collins, DV Else, L. Feng, PW Hess, C. Nayak, G. Pagano, NY Yao, e C. Monroe, 11 giugno 2021, disponibile qui. Scienza.
DOI: 10.1126 / science.abg8102

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