Stanford와 Google의 연구원을 포함한 연구원 팀은 시간 수정으로 알려진 물질의 새로운 단계를 만들고 관찰했습니다.

전례 없는 복잡성의 계산을 수행하기 위해 양자 물리학의 힘을 이용할 수 있는 컴퓨터를 엔지니어링하려는 전 세계적인 노력이 있습니다. 이러한 양자 컴퓨터를 만드는 데는 여전히 엄청난 기술적 장애물이 있지만 현재 프로토타입은 여전히 ​​인상적인 위업을 달성할 수 있습니다.

예를 들어, “시간 수정”이라는 물질의 새로운 단계를 생성합니다. 수정의 구조가 공간에서 반복되는 것처럼 시간 수정도 시간에 따라 반복되며 가장 중요한 것은 배터리 없이 영원히 작동하는 시계와 같이 다른 에너지 입력 없이 무한히 반복된다는 것입니다. 이 단계의 물질을 추구하는 것은 이론과 실험에서 오랜 시간 동안의 도전이었고 마침내 결실을 맺었습니다.

2021년 11월 30일 저널에 발표된 연구에서 성질, Stanford University, Google Quantum Eye, Max Planck Institute for Physics of Complex Systems 및 Oxford 대학의 과학자 팀은 Google Sycamore를 사용하여 시간 수정을 생성하는 과정에 대해 자세히 설명했습니다. 정량적 통계 하드웨어.

타임 크리스탈을 만드는 데 사용되는 Google Sycamore 칩. 크레딧: 구글 퀀텀 AI

스탠포드 대학의 박사후 연구원이자 이 연구의 공동 저자인 마테오 이폴리티(Matteo Ippoliti)는 말했습니다. “계산 대신에 우리는 컴퓨터를 물질의 새로운 단계를 인식하고 발견하기 위한 새로운 실험 플랫폼으로 사용했습니다.”

팀의 경우, 그들의 성취에 대한 흥분은 물질의 새로운 단계를 만드는 것뿐만 아니라 많은 물질의 집합적 상호 작용에 의해 발생하는 새로운 현상과 속성을 연구하는 응집 물질 물리학 분야에서 새로운 시스템을 탐구할 기회를 열어주는 데 있습니다. 시스템에 있는 것들. (이러한 상호작용은 개별 유기체의 특성보다 훨씬 더 풍부할 수 있습니다.)

이 연구 논문의 주저자이자 스탠포드 대학의 물리학 조교수인 Vidika Khemani는 “시간 결정은 물질의 새로운 유형의 비평형 양자상의 완전한 예”라고 말했습니다. “응축 물질 물리학에 대한 이해의 대부분은 평형 시스템에 의존하지만 이러한 새로운 양자 장치는 다물체 물리학의 새로운 비평형 시스템에 대한 매혹적인 창을 제공합니다.”

크리스탈 타임과 그렇지 않은 것

이번에는 수정을 만들기 위한 기본 재료는 다음과 같습니다. 초파리와 물리적으로 동등한 것과 이를 강화할 수 있는 것입니다. Physics의 Drosophila는 상전이 및 자기를 포함한 다양한 물리적 현상을 이해하기 위한 오랜 도구인 Ising 모델로, 각 입자 위치가 위 또는 아래 회전으로 표시되는 두 가지 상태가 될 수 있는 격자로 구성됩니다.

대학원 시절에 Khimani는 박사 학위 고문인 Shivaji Sundi였습니다. 프린스턴 대학교, 그리고 막스 플랑크 복합 시스템 물리학 연구소의 Achilleas Lazarides와 Roderich Moessner는 시간 수정을 만들기 위한 이 조리법을 무의식적으로 우연히 발견했습니다. 그들은 입자가 시작된 상태에서 “고착”되고 평형 상태에서 결코 이완될 수 없는 시스템인 많은 물체의 비평형 시스템을 연구하고 있었습니다. 그들은 레이저에 의해 주기적으로 “걷어차”질 때 그러한 시스템에서 발전할 수 있는 단계를 탐구하는 데 관심이 있었습니다. 그들은 안정적인 비평형 상을 찾을 수 있었을 뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 영원히 반복되는 패턴 사이에서 입자의 스핀이 뒤집혀 시간 결정을 만드는 레이저 명령의 두 배인 상을 발견했습니다.

플라타너스 슬라이스가 들어 있는 Google Mitigation Refrigerator의 모습입니다. 크레딧: 구글 퀀텀 AI

레이저의 주기적인 움직임은 역학의 특정 리듬을 설정합니다. 일반적으로 권선의 “춤”은 이 리듬과 일치해야 하지만 동시에 수정은 그렇지 않습니다. 대신, 주기는 두 상태 사이에서 회전하며 레이저에 의해 걷어차야 주기가 완료됩니다. 두 배. 이는 시스템 컴파일 시간 일관성이 비활성화되었음을 의미합니다. 대칭은 물리학에서 기본적인 역할을 하며 종종 깨집니다. 일반 결정, 자석 및 기타 여러 현상의 기원을 설명합니다. 그러나 시간 병진 대칭은 다른 대칭과 달리 평형 상태에서 깨질 수 없기 때문에 두드러집니다. 주기적 킥은 시간 수정을 가능하게 하는 허점입니다.

진동 주기를 두 배로 늘리는 것은 이례적인 일이지만 전례가 없는 것은 아닙니다. 수명이 긴 진동은 또한 소수의 입자 시스템의 양자 역학에서 매우 일반적입니다. 시간 수정을 독특하게 만드는 것은 에너지가 들어오지 않고 이러한 종류의 조정된 동작을 나타내는 수백만 개의 시스템이라는 것입니다. 또는 누출.

이 연구 논문의 공동 저자이자 옥스포드 물리학 교수인 Sundy는 “매개변수나 상태를 조정하지 않지만 시스템은 여전히 ​​양자인 완전히 강력한 물질 단계”라고 말했습니다. “에너지 공급도 없고 에너지 고갈도 없으며 영원히 계속되며 반응성이 높은 많은 입자를 포함합니다.”

이것이 의심스러울 정도로 “영구 운동 기계”에 가까운 것처럼 보일 수 있지만 자세히 살펴보면 시간 수정이 어떤 물리적 법칙도 위반하지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 시스템의 무질서를 측정하는 엔트로피는 시간이 지남에 따라 일정하게 유지되며 비감소를 통해 열역학 제2법칙을 미미하게 충족합니다.

시간 수정에 대한 이 계획을 개발하고 이를 실현한 양자 컴퓨터 실험 사이에 여러 연구원 팀의 실험이 거의 비슷한 시기에 많은 수정 이정표를 달성했습니다. 그러나 “다체 위치 결정화” 레시피(무한하게 고정된 시간 결정화를 허용하는 현상)의 모든 성분을 제공하는 것은 여전히 ​​주요 과제로 남아 있었습니다.

Khemani와 그녀의 협력자들에게 Crystal 성공을 달성하기 위한 마지막 단계는 Google Quantum AI 팀과 협력하는 것이었습니다. 함께 이 그룹은 Google의 Sycamore 양자 컴퓨팅 하드웨어를 사용하여 큐비트로 알려진 고전 컴퓨터 정보 조각의 양자 버전을 사용하여 20개의 “스핀”을 프로그래밍했습니다.

현재 시간 수정에 대한 관심이 어느 정도인지 밝히면서 수정이 다시 한 번 배치되었습니다. 과학 이번 달. 이 결정은 네덜란드 델프트 공과대학(Delft University of Technology)의 연구원들이 다이아몬드 내부의 큐비트를 사용하여 만들었습니다.

양자 기회

연구원들은 양자 컴퓨터의 특별한 능력 덕분에 실시간 수정에 대한 그들의 주장을 확인할 수 있었습니다. (불완전한) 양자 장치의 유한한 크기와 일관성 시간은 그들의 실험이 크기와 지속 시간이 제한되어 있음을 의미했지만 – 수정 진동은 무기한이 아니라 수백 주기 동안만 관찰될 수 있음 – 연구원들은 평가하기 위해 다른 프로토콜을 고안했습니다. 그들의 창조의 안정성. 여기에는 시뮬레이션을 시간에 따라 앞뒤로 실행하고 확장하는 것이 포함되었습니다.

연구 논문의 공동 저자이자 막스 플랑크 물리학 연구소(Max Planck Institute for Physics of Complex Systems) 소장인 Moessner는 “우리는 양자 컴퓨터의 독창성을 성공적으로 사용하여 그 한계를 분석하는 데 도움을 주었습니다. “그는 기본적으로 자신의 오류를 수정하는 방법을 알려주었고 제한된 시간 관찰을 통해 시간 수정의 완벽한 동작의 지문을 확인할 수 있도록 했습니다.”

이상적인 시간 수정의 주요 특징은 모든 사람 주. 상태 선택에서 이 힘을 확인하는 것은 주요 실험 과제였으며 연구원들은 단 밀리초의 런타임이 필요한 장치의 단 한 주기에서 백만 개 이상의 시간 수정 상태를 검사하는 프로토콜을 고안했습니다. 이것은 물리적 결정을 여러 각도에서 관찰하여 반복되는 구조를 확인하는 것과 같습니다.

“우리 양자 프로세서의 독특한 특징은 고도로 복잡한 양자 상태를 생성하는 능력입니다.”라고 Google 연구원이자 연구 논문의 공동 저자인 Xiao Mei가 말했습니다. “이러한 상태를 사용하면 전체 계산 공간을 조사하지 않고도 재료의 위상 구조를 효과적으로 조사할 수 있습니다. 그렇지 않으면 다루기 힘든 작업입니다.”

물질의 새로운 단계를 만드는 것은 의심할 여지 없이 근본적인 수준에서 흥미진진합니다. 또한 이러한 연구원들이 이를 수행할 수 있었다는 사실은 컴퓨팅 이외의 응용 분야에서 양자 컴퓨터의 유용성이 증가하고 있음을 나타냅니다. 이 논문의 수석 저자이자 구글 연구원인 페드람 로샨(Pedram Roshan)은 “더 많은 큐비트가 더 많아지면 우리의 접근 방식이 불균형 역학을 연구하는 주요 방법이 될 수 있다고 낙관한다”고 말했다.

“우리는 현재 양자 컴퓨터의 가장 흥미로운 사용이 기본적인 양자 물리학을 위한 플랫폼이라고 생각합니다.”라고 Ippoliti가 말했습니다. “이 시스템의 고유한 기능을 통해 예상하지 못했던 새로운 현상을 발견할 수 있기를 바랍니다.”

참조: Xiao Mi, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Ami Greene, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arute, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Joseph C. Bardin, Joao의 “양자 프로세서의 고유 상태 시간 결정 순위” Basso, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexander Borassa, Leon Brill, Michael Bruton, Bob Buckley, David A. Boyle, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Benjamin Quiarro, Roberto Collins, William Courtney, Drepto DeBroy, Sean Demora, Alan R. Dirk , Andrew Dunsworth, Daniel Ebbins, Katherine Erickson, Edward Farhey, Austin J. Fowler, Brooks Fox, Craig Gedney, Marisa Justina, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Jeremy Hilton, Alan Ho, Sabrina Hong, Trent Huang, Ashley 호브, 윌리엄 J. Huggins, LB Evland, Sergey V. Isakov, Justin Evland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Caffrey, Tanuj Khattar, 김선, Alexei Kitaev, Paul F. Klimov, Alexander N. Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Pavel Laptev, 이준호, Kenny Lee, Aditya Locharl A, Eric Lucero, Orion Martin, Jarrod R MacLean, Trevor McCourt, Matt McQueen, Kevin C. Meow, Masoud Mohseni, Shirin Montazeri, Wojciech Morozkowicz , Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Thomas Yusin née O’Brien, Alex Obrimshak, Eric Ostby, Balint Pato, Andrei Petukhov, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vladimir Schwarz, Yuan Su, Doug Strin, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jimmy Yao, Bing Yeh, Guo-Huan Yu, Adam Zelkman, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Migrant, Julian Kelly, Yu Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Constantin Kishidze, Fedramica Khoshani, 2021년 11월 30일, 성질.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w

이 연구는 스탠포드 대학, 구글 양자 AI, 막스 플랑크 복합 시스템 물리학 연구소, 옥스포드 대학이 주도했다. 전체 저자 목록은 다음에서 확인할 수 있습니다. 성질 종이.

이 연구는 DARPA(국방고등연구계획국)의 지원을 받았습니다.다르파), Google Research Award, Sloan Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation 및 Deutsche Forschungsgemeinschaft.