Časové krystaly v kvantovém počítači

Datum 17.04.2022

Foto: CanStock

Ve výzkumu zveřejněném na konci loňského roku v časopise Nature tým vědců ze Stanfordovy univerzity, Google Quantum AI, Institutu Maxe Plancka pro fyziku komplexních systémů a Oxfordské univerzity podrobně popisuje vytvoření časového krystalu pomocí kvantového výpočetního hardwaru Sycamore společnosti Google. Stejně jako se struktura krystalu opakuje v prostoru, časový krystal se opakuje v čase, a co je důležité, dělá to nekonečně dlouho a bez jakéhokoli dalšího nutného zdroje energie – jako hodiny, které běží věčně bez baterií.

Pro tým spočívá vzrušení z jejich úspěchu nejen ve vytvoření nové fáze hmoty, ale také v otevření možností zkoumat nové mechanismy v oboru fyziky kondenzované hmoty, který studuje nové jevy a vlastnosti vyvolané kolektivními interakcemi mnoha objektů v systému.

“Časové krystaly jsou pozoruhodným příkladem nového typu nerovnovážné kvantové fáze hmoty,” řekla Vedika Khemani, odborná asistentka fyziky na Stanfordu a hlavní autorka studie zveřejněné na portálu Nature.com. “Zatímco většina našich znalostí fyziky kondenzované hmoty je založena na rovnovážných systémech, tato nová kvantová zařízení nám poskytují fascinující okno do nových nerovnovážných systémů ve fyzice mnoha těles.”

Vědci mohli potvrdit své tvrzení o skutečném časovém krystalu díky speciálním schopnostem kvantového počítače. Přestože konečná velikost a koherenční doba (nedokonalého) kvantového zařízení znamenala, že jejich experiment byl omezen co do velikosti a trvání – oscilace časového krystalu bylo možné pozorovat pouze po dobu několika stovek cyklů, nikoliv po neomezenou dobu – vědci vypracovali různé protokoly pro posouzení stability svého výtvoru. Ty zahrnovaly simulaci dopředu a dozadu v čase a škálování její velikosti.

Klíčovým znakem ideálního časového krystalu je, že vykazuje neurčité oscilace ze všech stavů. Ověření této odolnosti vůči volbě stavů bylo klíčovou experimentální výzvou a výzkumníci vymysleli protokol, který umožnil prozkoumat více než milion stavů jejich časového krystalu během jediného spuštění počítače, což vyžadovalo pouhé milisekundy času. Je to jako prohlížet si fyzikální krystal z mnoha úhlů a ověřovat jeho opakující se strukturu.

“Jedinečnou vlastností našeho kvantového procesoru je jeho schopnost vytvářet vysoce komplexní kvantové stavy,” uvedl Xiao Mi, výzkumný pracovník společnosti Google a spoluautor článku. “Tyto stavy umožňují efektivně ověřovat fázové struktury hmoty, aniž by bylo nutné zkoumat celý výpočetní prostor – což je jinak neřešitelný úkol.”

Vytvoření nové fáze hmoty je bezesporu vzrušující na fundamentální úrovni. Skutečnost, že se to těmto výzkumníkům podařilo, navíc poukazuje na rostoucí užitečnost kvantových počítačů pro jiné než výpočetní aplikace. Tento výzkum byl spolufinancován mezi jinými také Agenturou pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA).

Ondřej Novák
zdroj: Nature