Ο χρονοκρύσταλλος (Time Crystal), όρος που εμφανίστηκε πριν από περίπου μια δεκαετία, είναι ένα νέο είδος ύλης που μοιάζει με μια μηχανή αέναης κίνησης. Τα μέρη του μπορούν θεωρητικά να κινούνται σε έναν επαναλαμβανόμενο κύκλο χωρίς να καταναλώνουν ενέργεια ποτέ, όπως ένα ρολόι που λειτουργεί για πάντα χωρίς μπαταρίες. Οι επιστήμονες αγωνίζονται εδώ και χρόνια να δημιουργήσουν αυτή τη νέα φάση της ύλης. Τον Δεκέμβριο του 2021 οι ερευνητές της Google Quantum AI αποκάλυψαν ότι δημιούργησαν κρυστάλλους χρόνου χρησιμοποιώντας το κβαντικό υπολογιστή Sycamore της Google, και περιέγραψαν τα ευρήματα τους σε άρθρο στο περιοδικό Nature.
Ενώ οι κλασικοί υπολογιστές ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν τα τρανζίστορ για να συμβολίσουν τα δεδομένα ως μονάδες και μηδενικά, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά bits ή qubits που, λόγω της φύσης της κβαντομηχανικής, μπορούν να υπάρχουν σε κατάσταση υπέρθεσης όπου είναι ταυτόχρονα 1 και 0. Συνδέοντας τα qubits μεταξύ τους μέσω ενός κβαντικού φαινομένου γνωστού ως διεμπλοκή (entanglement), ένας κβαντικός υπολογιστής των 300 qubits θα μπορούσε, θεωρητικά, να εκτελέσει περισσότερους υπολογισμούς σε μια στιγμή από όσα άτομα υπάρχουν στο ορατό σύμπαν! Το 2019, η Google υποστήριξε ότι χρησιμοποίησε το Sycamore για να επιδείξει "κβαντική υπεροχή", δηλαδή ότι έβρισκε απαντήσεις σε προβλήματα που κανένας κλασικός υπολογιστής δεν θα μπορούσε ποτέ να λύσει.
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές της Google χρησιμοποίησαν ένα σύστημα με 20 qubits όχι για υπολογισμούς, αλλά για να υλοποιήσουν χρονοκρυστάλλους. Το φημισμένο επιστημονικό περιοδικό εφαρμοσμένων επιστημών IEEE Spectrum πήρε συνέντευξη από δύο βασικούς ερευνητές της Google, Kostyantyn Kechedzhi και Xiao Mi, με ενδιαφέροντα ερωτήματα και απαντήσεις σχετικές με την έρευνα, στη θεωρητική και πειραματική της πλευρά, αντίστοιχα.
IEEE Spectrum: Τι είναι ο χρονοκρύσταλλος;
Kostyantyn Kechedzhi: Ένας κρύσταλλος είναι ένα σύστημα πολλών ατόμων που, λόγω αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων, οργανώνονται σε ένα περιοδικό μοτίβο στο χώρο. Ένας χρονοκρύσταλλος είναι ένα κβαντικό σύστημα πολλών σωματιδίων που οργανώνονται σε ένα περιοδικό μοτίβο κίνησης (περιοδικό στο χρόνο και όχι στο χώρο), το οποίο παραμένει στο διηνεκές.
ΙΕΕ Spectrum: Με τι θα μπορούσατε να συγκρίνετε τους κρυστάλλους του χρόνου στη φύση;
Kostyantyn Kechedzhi: Η επίμονη περιοδική κίνηση είναι πολύ οικεία στη φύση. Ένα σύστημα δύο μαζικών αντικειμένων που έλκονται μεταξύ τους λόγω της βαρύτητας είναι το απλούστερο παράδειγμα: τα δύο αντικείμενα κινούνται γύρω από το κοινό κέντρο μάζας ακολουθώντας αυστηρά περιοδικές τροχιές. Εκ πρώτης όψεως, αυτό μπορεί να φαίνεται σαν ένα παράδειγμα χρονοκρυστάλλου. Ωστόσο, η βασική καινοτομία ενός χρονοκρυστάλλου είναι η περιοδική κίνηση ενός συστήματος πολλών αντικειμένων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Ένα σύστημα πολλών αλληλεπιδρώντων αντικειμένων επιδεικνύει μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά σε σύγκριση με δύο μαζικά αντικείμενα που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, αντί για επαναλαμβανόμενα μοτίβα, η κίνηση αλλάζει συνεχώς. Για παράδειγμα, στο ηλιακό σύστημα, οι πλανήτες ακολουθούν τροχιές που είναι κατά προσέγγιση περιοδικές, αλλά η πραγματική συμπεριφορά των πλανητών είναι χαοτική, πράγμα που σημαίνει ότι μια μικρή απόκλιση ενός πλανήτη από την πορεία του σήμερα θα οδηγήσει σε μια εντελώς αναδιαμορφωμένη τροχιά με την πάροδο του χρόνου, έστω και δισεκατομμυρίων ετών.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής υποστηρίζει ότι τα συστήματα πολλών αλληλεπιδρώντων αντικειμένων τείνουν προς μεγαλύτερη αταξία, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις αυστηρά περιοδικές κινήσεις ενός χρονοκρυστάλλου. Παρ' όλα αυτά, ένα σύστημα πολλών αλληλεπιδρώντων κβαντικών αντικειμένων θα μπορούσε να επιδείξει περιοδική κίνηση χωρίς να παραβιάζει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής λόγω ενός θεμελιωδώς κβαντικού φαινομένου που ονομάζεται εντοπισμός πολλών σωμάτων.
IEEE Spectrum: Έτσι, στο νέο σας έργο, δημιουργήσατε έναν περιοδικά καθοδηγούμενο κρύσταλλο εντοπισμένου χρόνου πολλών σωμάτων. Πρόκειται για έναν κρύσταλλο χρόνου που αποτελείται από πολλά μέρη, η δραστηριότητα των οποίων καθοδηγείται από μια εξωτερικά εφαρμοζόμενη κυκλική σειρά παλμών. Και με τον εντοπισμό, εννοείτε ότι οι φυσικοί νόμοι δρουν στον συγκεκριμένο τόπο αυτού του χρονικού κρυστάλλου για να τον βοηθήσουν να παραμείνει σταθερός και να μην διαχέεται ενέργεια;
Kostyantyn Kechedzhi: Ναι. Μια βασική ιδιότητα ενός εντοπισμένου κβαντικού συστήματος πολλών αντικειμένων είναι ότι ένας αρκετά ασθενής εξωτερικός παλμός ή δύναμη που εφαρμόζεται σε οποιοδήποτε από τα αντικείμενα θα επηρεάσει τα γειτονικά του αντικείμενα, αλλά δεν θα γίνει αισθητός σε ολόκληρο το σύστημα. Υπό αυτή την έννοια, η απόκριση του συστήματος είναι εντοπισμένη. Αντίθετα, σε ένα χαοτικό σύστημα, μια μικρή διαταραχή γίνεται αισθητή σε ολόκληρο το σύστημα. Με άλλα λόγια, το φαινόμενο του εντοπισμού αποτρέπει την απορρόφηση ενέργειας από την εξωτερική μονάδα.
Πόσο συγκρίσιμοι είναι οι χρονοκρύσταλλοι σας με τις μηχανές αέναης κίνησης;
Kechedzhi: Οι χρονοκρύσταλλοι που παρατηρήθηκαν στο πείραμά μας δεν απορροφούν καθαρή ενέργεια από τους παλμούς που χρησιμοποιούνται για να καθοδηγήσουν τη συμπεριφορά τους. Αυτός είναι ίσως ο λόγος για τον οποίο συχνά συγκρίνονται με μηχανές αέναης κίνησης.
Ωστόσο, οι μηχανές αέναης κίνησης αναμένεται να παράγουν έργο χωρίς πηγή ενέργειας, γεγονός που θα παραβίαζε τους νόμους της θερμοδυναμικής. Αντίθετα, η κίνηση ενός χρονοκρυστάλλου δεν παράγει έργο χωρίς πηγή ενέργειας και επομένως δεν παραβιάζει τους φυσικούς νόμους.
Οι κρύσταλλοι του χρόνου σας καταρρέουν με την πάροδο του χρόνου;
Kechedzhi: Ο επεξεργαστής μας δεν είναι 100% απομονωμένος από το περιβάλλον και αυτή η ασθενής σύνδεση με το περιβάλλον εισάγει μια πεπερασμένη "εξωγενή" διάρκεια ζωής του χρονοκρυστάλλου. Με άλλα λόγια, μετά από ένα αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, η τάξη χάνεται και το περιοδικό μοτίβο δεν επαναλαμβάνεται πλέον.
Τι εφαρμογές μπορεί να έχουν οι χρονοκρύσταλλοι;
Kechedzhi: Ένας χρονοκρύσταλλος χρόνου είναι, όπως ο σιδηρομαγνητισμός ή η υπεραγωγιμότητα, ένα παράδειγμα αυθόρμητου σπασίματος της συμμετρίας ή αυθόρμητης τάξης. Για παράδειγμα, ένας σιδηρομαγνήτης είναι ουσιαστικά ένα σύστημα πολύ μικρότερων μαγνητών, των οποίων οι μαγνητικοί πόλοι είναι όλοι προς μία κατεύθυνση και, με αυτή την έννοια, είναι διατεταγμένοι. Η συμμετρία λέγεται ότι σπάει "αυθόρμητα" σε μια τέτοια κατάσταση, αφού στην κανονική ύλη οι πόλοι δείχνουν όλοι σε τυχαίες κατευθύνσεις. Σταθερά παραδείγματα αυθόρμητου σπασίματος της συμμετρίας, όπως ο σιδηρομαγνητισμός ή η εξαφάνιση της ηλεκτρικής αντίστασης ενός υπεραγωγού, έχουν συχνά σημαντική τεχνολογική αξία.
Το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας συνδέεται με την ισορροπία. Για παράδειγμα, σκεφτείτε ότι το υγρό νερό παγώνει σε κρύσταλλο όταν οδηγηθεί σε σταθερή χαμηλή θερμοκρασία. Μια αξιοσημείωτη ιδιότητα του χρονοκρυστάλλου που παρατηρήσαμε είναι η αυθόρμητη τάξη του παρά το γεγονός ότι οδηγείται εκτός ισορροπίας. Η παρατήρηση αυτή ανοίγει την πόρτα για τον εντοπισμό άλλων καταστάσεων κβαντικής ύλης εκτός ισορροπίας με νέους τύπους τάξης.
Τι από τους κρυστάλλους του χρόνου έχει αποδειχθεί δύσκολο να ερευνηθεί και γιατί;
Kechedzhi: Η πρόκληση είναι ότι η απομόνωση της κβαντικής ύλης από το περιβάλλον της δεν είναι ποτέ τέλεια.
Γιατί να χρησιμοποιήσετε έναν κβαντικό υπολογιστή για να δημιουργήσετε κρυστάλλους χρόνου;
Xiao Mi: Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι η πλατφόρμα επιλογής για την υλοποίηση χρονοκρυστάλλων, επειδή διαθέτουν ακριβώς βαθμονομημένες κβαντικές λογικές πύλες. Μια κβαντική λογική πύλη είναι η κβαντική υπολογιστική εκδοχή των λογικών πυλών που χρησιμοποιούν οι συμβατικοί υπολογιστές για την εκτέλεση υπολογισμών
Mi: Ναι. Οι κβαντικές λογικές πύλες επιτρέπουν την υλοποίηση με πολύ υψηλή ακρίβεια των αλληλεπιδράσεων πολλών σωμάτων που είναι απαραίτητες για την ύπαρξη χρονοκρυστάλλων. Όλες οι προηγούμενες μελέτες για τους χρονοκρυστάλλους πραγματοποιήθηκαν στους λεγόμενους κβαντικούς προσομοιωτές. Αυτές οι πλατφόρμες δεν διαθέτουν την ακρίβεια των κβαντικών υπολογιστών. Ως αποτέλεσμα, πολλά από αυτά τα πειράματα διαπιστώθηκε αργότερα ότι ήταν ελαττωματικά λόγω ακούσιων αλληλεπιδράσεων.
Τι έδειξε η νέα σας μελέτη;
Μi: Κατασκευάσαμε κβαντικά κυκλώματα που έχουν τους τύπους αλληλεπιδράσεων που θεωρητικά αναμένεται να οδηγήσουν σε έναν χρονοκρύσταλλο. Στη συνέχεια συλλέξαμε δεδομένα από αυτά τα κβαντικά κυκλώματα και χρησιμοποιήσαμε μια ποικιλία τεχνικών για να επαληθεύσουμε ότι τα δεδομένα μας είναι συνεπή με τη χρονικά κρυσταλλική συμπεριφορά. Αυτό περιελάμβανε τρία πράγματα:
1. Οποιαδήποτε αποσύνθεση ή "λιώσιμο" της χρονικά κρυσταλλικής τάξης προκλήθηκε μόνο από την εξωτερική αποσυνέχεια, όχι από την εσωτερική δυναμική του συστήματός μας.
2. Η υπογραφή ενός χρονικού κρυστάλλου ήταν παρούσα ανεξάρτητα από την αρχική κατάσταση του συστήματος.
3. Θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε το όριο της φάσης του χρονικού κρυστάλλου, δηλαδή το σημείο όπου "έλιωσε"
Τι βρίσκετε εσείς προσωπικά πιο ενδιαφέρον σε αυτά τα αποτελέσματα;
Mi: Η κατανόηση της συμπεριφοράς των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων κοντά στο κρίσιμο σημείο των μεταβάσεων φάσης -για παράδειγμα, η θερμοκρασία τήξης του πάγου σε νερό- αποτελεί ένα μακροχρόνιο πρόβλημα της φυσικής και εξακολουθεί να κρύβει πολλούς άλυτους γρίφους για τα κβαντικά συστήματα. Καταφέραμε να χαρακτηρίσουμε το σημείο μετάβασης φάσης μεταξύ του κρυσταλλικού χρόνου και των κβαντικών χαοτικών καταστάσεων. Αυτή είναι μια πολύ ελπιδοφόρα κατεύθυνση για τις πρώτες εφαρμογές των κβαντικών επεξεργαστών ως εργαλείου για την επιστημονική έρευνα, όπου συστήματα μικρού μεγέθους με δεκάδες ή εκατοντάδες qubits θα μπορούσαν ήδη να παρέχουν νέες πειραματικές πληροφορίες για τη φύση των μεταβάσεων φάσης.
Πώς θα μπορούσαν οι χρονοκρύσταλλοι να οδηγήσουν σε καλύτερους κβαντικούς υπολογιστές;
Mi: Η ύπαρξη ενός αντικειμένου όπως ο χρονοκρύσταλλος που είναι σταθερό απέναντι στις πειραματικές παρεμβολές μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό κβαντικών καταστάσεων με μεγάλη διάρκεια ζωής, ένα κρίσιμο έργο για τη μελλοντική βελτίωση των κβαντικών επεξεργαστών.
Ένας άλλος χρονοκρύσταλλος δημιουργήθηκε με τη χρήση qubits από ερευνητές του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Delft στις Κάτω Χώρες. Πώς θα ξεχωρίζατε τη δουλειά σας από τη δική τους;
Kechedzhi: Το πείραμα του Delft εφάρμοσε μερικά από τα πρωτόκολλα που περιγράψαμε στην προηγούμενη θεωρητική μας εργασία, τα οποία διακρίνουν τους τοπικούς χρονοκρυστάλλους πολλών σωμάτων από τους λεγόμενους προθερμικούς χρονοκρυστάλλους που παρατηρήθηκαν τα τελευταία χρόνια. Ενώ οι προ-θερμικοί χρονοκρύσταλλοι χαρακτηρίζονται από πεπερασμένους εγγενείς χρόνους ζωής, οι χρονοκρύσταλλοι πολλών σωμάτων χαρακτηρίζονται από αποκλίνουσα - δηλαδή απείρως μεγάλη - εγγενή διάρκεια ζωής.
Η εξαιρετική ευελιξία του επεξεργαστή μας μάς επέτρεψε να αποδείξουμε ότι η δυναμική των χρονοκρυστάλλων παραμένει σε ένα εύρος παραμέτρων του συστήματος. Μια συνέπεια αυτού είναι η παρατήρησή μας για τη μετάβαση φάσης μεταξύ του χρονικού κρυστάλλου και της χαοτικής συμπεριφοράς. Η παρουσία της μετάβασης φάσης υποδηλώνει ότι ο χρονοκρύσταλλος είναι μια ξεχωριστή κατάσταση ύλης από την πιο διαδεδομένη χαοτική κατάσταση πολλών σωμάτων, συμπεριλαμβανομένων των προθερμικών χρονοκρυστάλλων.
Το κρίσιμο είναι ότι το πρωτόκολλο που περιγράφουμε στη νέα μας μελέτη είναι κλιμακούμενο - μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί σε έναν μεγαλύτερο κβαντικό επεξεργαστή. Αυτό είναι αποτέλεσμα περαιτέρω θεωρητικής ανάλυσης που βελτιώνει σημαντικά την προηγούμενη εργασία μας στην οποία βασίστηκε το πείραμα του Delft. Στο μέλλον, μπορώ να δω το πείραμά μας να επαναλαμβάνεται σε όλο και μεγαλύτερα συστήματα.
Ποιες συγκεκριμένες κατευθύνσεις πιστεύετε ότι μπορεί να ακολουθήσει η έρευνά σας από εδώ και πέρα;
Kechedzhi: Ένας από τους στόχους μας είναι να εξελίξουμε τον επεξεργαστή μας σε ένα επιστημονικό εργαλείο για τη φυσική και τη χημεία. Η βασική πρόκληση είναι η μείωση του σφάλματος στη συσκευή. Αυτό αποτελεί κλειδί για τις μελλοντικές εφαρμογές των κβαντικών επεξεργαστών και την υλοποίηση κβαντικών υπολογισμών με ανοχή σε σφάλματα. Πρέπει να αντιμετωπιστεί μέσω βελτιώσεων στο υλικό, στρατηγικών μετριασμού των αλγοριθμικών σφαλμάτων και θεμελιώδους κατανόησης του ρόλου του θορύβου στην κβαντική δυναμική πολλών σωμάτων.