木曜日の夜にオンラインで投稿されたプレプリントで、グーグルの研究者はスタンフォード、プリンストン、その他の大学の物理学者と協力して、グーグルの量子コンピューターを使用して本物の「タイムクリスタル」を実証したと述べています。さらに、別の研究グループが今月初めに、ダイヤモンドにタイム クリスタルを作成したと主張しました。
物理学者が何年にもわたって実現しようと努力してきた物質の新しい相であるタイム クリスタルは、エネルギーを消費することなくこの絶え間ない変化を維持しながら、規則的な反復サイクルでパーツが動く物体です。
ドイツのドレスデンにあるマックス プランク複雑系物理学研究所所長であり、Google の論文の共著者である Roderich Moessner 氏は、次のように述べています。それは、無秩序が常に増加するという法則です。
タイム クリスタルは、安定したオブジェクトが時間を通じて同じままであるという通常のルールである「時間変換対称性」を自発的に破る最初のオブジェクトでもあります。タイム クリスタルは安定しており、常に変化しており、定期的に特別な瞬間が訪れます。
タイム クリスタルは、物質のフェーズの新しいカテゴリであり、フェーズの定義を拡張します。水や氷など、他のすべての既知の相は熱平衡状態にあります。それらの構成原子は、周囲温度で許容される最低エネルギーの状態に落ち着いており、それらの特性は時間とともに変化しません。タイム クリスタルは、最初の「非平衡」段階です。興奮して進化している状態にもかかわらず、秩序と完全な安定性があります。
「これは、私たちが現在取り組んでいるまったく新しいエキサイティングな分野です」と、現在スタンフォード大学の凝縮系物理学者であり、大学院生の間にこの新しい相を共同発見し、新しい論文の共同執筆者である Vedika Khemani 氏は述べています。 Google チームと。
Khemani、Moessner、Princeton の Shivaji Sondhi、およびイギリスのラフバラー大学の Achilleas Lazarides は、この相の可能性を発見し、2015 年にその重要な特性を説明しました。 Microsoft Station Q の Chetan Nayak とカリフォルニア大学サンタバーバラ校が率いるライバルの物理学者グループは、すぐにタイム クリスタルであると特定しました。
研究者たちは過去 5 年間、タイム クリスタルの作成を競い合ってきましたが、以前のデモは、独自の条件で成功したものの、タイム クリスタルの存在を確立するために必要なすべての基準を満たしていませんでした。 「これらの実験のいずれも完全に成功しなかったと考えるのには十分な理由があり、[Google] のような量子コンピューターは、以前の実験よりもはるかに優れた成果を上げることができると考えられます」新作に関わらなかったオックスフォード。
Google の量子コンピューティング チームは、2019 年に、通常のコンピューターでは実用的な時間内に実行できないと考えられていた計算を初めて実行したことで話題になりました。しかし、そのタスクはスピードアップを示すために考案されたものであり、本質的に興味深いものではありませんでした。新しいタイム クリスタルのデモは、量子コンピューターが有益な雇用を見つけた最初の例の 1 つです。
「[Google の] プロセッサの素晴らしい使い方です」と Nayak 氏は述べています。
出版のために提出された昨日のプレプリント、およびその他の最近の結果により、研究者は量子コンピューターに対する当初の希望を実現しました。デバイスを提案した 1982 年の論文で、物理学者のリチャード ファインマンは、想像できるあらゆる量子システムの粒子をシミュレートするために使用できると主張しました。
タイムクリスタルはそのビジョンを体現しています。デリケートな成分の複雑な組み合わせを考えると、おそらく自然そのものが作成することのない量子オブジェクトです。想像力がレシピを呼び起こし、自然の最も不可解な法則にかき立てられました。
ありえないアイデア、復活
タイム クリスタルの当初の概念には致命的な欠陥がありました。
ノーベル賞を受賞した物理学者のフランク ウィルチェックは、2012 年に通常の (空間) 結晶についてのクラスを教えているときに、このアイデアを思いつきました。 「宇宙の結晶について考えれば、時間における結晶の挙動の分類についても考えるのは非常に自然なことです」と、彼はすぐにこの雑誌に語った.
炭素原子の塊の結晶相であるダイヤモンドを考えてみましょう。塊は、空間のどこでも同じ方程式によって支配されますが、原子が格子点に配置され、周期的な空間変動を持つ形をとります。物理学者は、それが「空間並進対称性を自然に破る」と言っています。最小エネルギー平衡状態のみが、このように自然に空間対称性を破ります。
Wilczek は、ダイヤモンドのように、平衡状態にある複数の部分からなる物体を思い描いていました。しかし、この天体は時間移動の対称性を破っています。定期的な運動を行い、一定の間隔で最初の構成に戻ります。
Wilczek が提案したタイム クリスタルは、周期的な動きをする物体である壁時計などとは大きく異なっていました。時計の針はエネルギーを消費し、電池がなくなると停止します。システムが超安定平衡状態にあるため、ウィルゼキアン タイム クリスタルは入力を必要とせず、無期限に継続します。
信じられないように聞こえるかもしれませんが、多くのスリルと論争の末、2014 年の証明により、歴史を通じて考え出された他のすべての永久機関と同様に、ウィルチェクの処方箋が失敗することが示されました。
その年、プリンストン大学の研究者は別のことを考えていました。ケマニと彼女の博士課程の顧問であるソンディは、アンダーソン ローカリゼーションの拡張である多体ローカリゼーションを研究していました。これは、ノーベル賞を受賞した 1958 年の発見であり、電子は起伏の多い風景の隙間にあるかのように、所定の位置に留まることができます。
電子は波として最もよく描写されており、さまざまな場所でのその高さが、そこで粒子を検出する確率を示します。波は時間とともに自然に広がっていきます。しかし、フィリップ・アンダーソンは、ランダム性 (結晶格子内のランダムな欠陥の存在など) によって、電子の波が分裂し、それ自体に破壊的に干渉し、小さな領域を除いてすべての場所で相殺される可能性があることを発見しました。粒子が局所化します。
人々は何十年もの間、複数の粒子間の相互作用が干渉効果を破壊すると考えていました。しかし 2005 年、プリンストン大学とコロンビア大学の 3 人の物理学者が、量子粒子の一次元鎖が多体局在を経験できることを示しました。つまり、それらはすべて固定状態でスタックします。この現象はタイム クリスタルの最初の成分となります。
それぞれが上向き、下向き、またはある程度の確率で両方向を指す磁気配向 (または「スピン」) を持つ粒子の列を想像してみてください。最初の 4 つのスピンが、最初は上、下、下、上を指していると想像してください。可能であれば、スピンは量子力学的に変動し、すぐに整列します。しかし、それらの間のランダムな干渉により、粒子の列が特定の構成にとどまり、再配置または熱平衡に落ち着くことができなくなる可能性があります。それらは無期限に上、下、下、上を指します。
Sondhi と共同研究者は、多体局在系が特別な種類の秩序を示すことができることを発見しました。これは、タイム クリスタルの 2 番目の重要な要素になります。この例では)、別の安定した多体ローカライズ状態が得られます。
2014 年の秋、ケマニはドレスデンのマックス プランク研究所でサバティカルにソンディに加わりました。そこで、Moessner と Lazarides は、いわゆる Floquet システムを専門としています。これは、特定の周波数のレーザーで刺激される結晶など、定期的に駆動されるシステムです。レーザーの強度、つまりシステムへの影響の強さは定期的に変化します。
Moessner、Lazarides、Sondhi、および Khemani は、局所化された多体系がこのように周期的に駆動されるとどうなるかを研究しました。彼らは計算とシミュレーションで、特定の方法でレーザーで局在化されたスピンの連鎖をくすぐると、正味のエネルギーをまったく吸収することなく、2 つの異なる多体局在化状態の間を永遠に繰り返されるサイクルで移動し、前後に反転することを発見しました。レーザーから。
彼らはこの発見を pi スピングラス相 (角度 pi は 180 度反転を意味する) と呼んだ。このグループは、2015 年のプレプリントで、物質のこの新しい相 (これまでに特定された最初の多体の非平衡相) の概念を報告しましたが、「タイム クリスタル」という言葉はそのどこにも現れませんでした。著者は、Physical Review Letters に掲載された更新版に用語を追加しました。
プレプリントの出現とその出版の間に別のことが起こった:Wilczek の元大学院生である Nayak と共同研究者の Dominic Else と Bela Bauer は、2016 年 3 月に Floquet 時間結晶と呼ばれるオブジェクトの存在を提案するプレプリントを発行しました。彼らは例として、Khemani と会社の pi スピングラス相を指摘しました。
Floquet タイム クリスタルは、Wilczek が思い描いたような動作を示しますが、それは外部エネルギー源によって定期的に駆動されている間だけです。この種のタイムクリスタルは、熱平衡状態にあると決して公言しないことで、ウィルチェックの最初のアイデアの失敗を回避します。それは多体局所システムであるため、そのスピンまたは他の部分は平衡に落ち着くことができません。彼らは今いる場所で立ち往生しています。しかし、レーザーやその他のドライバーによって励起されているにもかかわらず、システムは熱くなることもありません。代わりに、ローカライズされた状態の間を無期限に行き来します。
レーザーはすでに、スピンの列のすべての瞬間の対称性を破っており、代わりに「離散時間変換対称性」を課しています。しかし、スピンの列は、前後に反転することで、レーザーによって課された離散的な時間変換対称性をさらに破ります。これは、それ自体の周期的なサイクルがレーザーの倍数であるためです。
ケマニと共著者はこの段階を詳細に特徴付けていましたが、ナヤクのグループは、時間、対称性、自発的な対称性の破れ - すべて物理学の基本的な概念 - の言葉でそれを表現しました。よりセクシーな用語を提供するだけでなく、彼らは理解の新しい側面を提供し、パイスピングラス相を超えたフロケ時間結晶の概念をわずかに一般化しました (特定の対称性は必要ないことに注意してください)。彼らの論文はPhysical Review Lettersに掲載されました 2016 年 8 月、Khemani と会社が相の最初の例の理論的発見を発表してから 2 か月後。
どちらのグループも、このアイデアを発見したと主張しています。それ以来、ライバルの研究者たちは、タイム クリスタルを現実に作成するために競い合ってきました。
完璧なプラットフォーム
Nayak の乗組員は、メリーランド大学の Chris Monroe とチームを組みました。Monroe は、電磁場を使用してイオンをトラップおよび制御します。先月、グループは Science で報告しました 彼らは、トラップされたイオンをおおよその、または「プレサーマル」タイムクリスタルに変えました。その周期的な変化 (この場合、イオンは 2 つの状態の間をジャンプします) は、実際には本物のタイム クリスタルのものと見分けがつきません。しかし、ダイヤモンドとは異なり、このプレサーマル タイム クリスタルは永遠ではありません。実験が十分に長く実行された場合、システムは徐々に平衡化し、周期的な動作は崩壊します.
Khemani、Sondhi、Moessner、および協力者は、別の場所で荷馬車をつなぎました。 2019 年、Google は、シカモア量子コンピューターが、従来のコンピューターでは 10,000 年かかるタスクを 200 秒で完了したと発表しました。 (他の研究者は後に、通常のコンピューターの計算を大幅に高速化する方法を説明します。) Moessner 氏と彼の同僚は、この発表論文を読んで、「Sycamore プロセッサには、私たちが実現する必要のあるものがまさにその基本的なビルディング ブロックとして含まれていることに気付きました。フロケットのタイムクリスタルです。」
偶然にも、Sycamore の開発者は、本格的な量子コンピューター用に設計された暗号化および検索アルゴリズムを実行するにはエラーが発生しやすいマシンで何かを行う方法も探していました。 Khemani と同僚が Google の理論家である Kostya Kechedzhi に連絡したとき、彼と彼のチームはタイム クリスタル プロジェクトで協力することにすぐに同意しました。 「私の仕事は、離散時間結晶だけでなく、他のプロジェクトでも、新しい物理学や化学を研究するための科学的ツールとしてプロセッサを使用しようとすることです」と Kechedzhi 氏は述べています。
量子コンピューターは「キュービット」で構成されています。これは本質的に制御可能な量子粒子であり、それぞれが 0 と 1 のラベルが付いた 2 つの可能な状態を同時に維持できます。量子ビットが相互作用すると、指数関数的な数の同時可能性をまとめて処理し、コンピューティングの利点を実現できます。
Google のキュービットは、超伝導アルミニウム ストリップで構成されています。それぞれに 2 つの可能なエネルギー状態があり、上向きまたは下向きのスピンを表すようにプログラムできます。デモでは、Kechedzhi と共同研究者は、タイム クリスタルとして機能する 20 キュービットのチップを使用しました。
おそらく、競合他社に対するマシンの主な利点は、量子ビット間の相互作用の強度を調整できることです。この調整可能性は、システムがタイム クリスタルになる理由の鍵となります。プログラマーは量子ビットの相互作用の強さをランダム化でき、このランダム性が量子ビット間に破壊的な干渉を生み出し、スピンの列が多体局在化を達成できるようにしました。量子ビットは、整列するのではなく、向きの設定パターンにロックされる可能性があります。
研究者は、上、下、下、上などの任意の初期構成をスピンに与えました。マイクロ波でシステムをポンピングすると、上向きのスピンが下向きになり、逆もまた同様です。初期構成ごとに数万回のデモを実行し、各実行で異なる時間の後に量子ビットの状態を測定することにより、研究者は、スピンのシステムが 2 つの多体局在状態の間を行ったり来たりしていることを観察できました。
フェーズの特徴は、極度の安定性です。氷は温度が変動しても氷のまま。実際、研究者たちは、マイクロ波パルスが 180 度の球場のどこかでスピンを反転させるだけでよいことを発見しましたが、小さなボートが自分自身を元に戻すように、スピンが 2 つのパルスの後に正確な最初の向きに戻るには、それほど多くは必要ありません。さらに、スピンはマイクロ波レーザーからの正味エネルギーを吸収したり散逸したりすることはなく、システムの乱れは変化しません。
7月5日、オランダのデルフト工科大学を拠点とするチームは、量子プロセッサではなく、ダイヤモンドの炭素原子の核スピンからフロケ時間結晶を構築したと報告しました。デルフト システムは、Google の量子プロセッサで実現されるタイム クリスタルよりも小さく、より制限されています。
Floquet タイム クリスタルが実際に使用できるかどうかは不明です。しかし、その安定性は Moessner にとって有望なようです。 「これほど安定しているものは珍しく、特別なものが役に立つ」と彼は言った。
あるいは、状態は単に概念的に役立つだけかもしれません。これは、非平衡段階の最初の最も単純な例ですが、研究者は、そのような段階が物理的にさらに発生する可能性があると考えています.
Nayak は、タイム クリスタルが時間の性質について深遠な何かを明らかにすると主張します。通常、物理学では、「[時間] を別の次元として扱おうとしても、それは常に一種の外れ値です」と彼は言いました。アインシュタインは、3D 空間を時間と一緒に 4 次元のファブリックである時空に織り込むことで、統一の最善の試みを行いました。しかし、彼の理論においても、一方向の時間はユニークです。タイム クリスタルに関して、ナヤック氏は、「これは私が知っている最初のケースであり、突然時間がギャングの 1 つにすぎません」と述べています。
ただし、Chalker は、時間は異常値のままであると主張しています。 Wilczek のタイム クリスタルは、時間と空間の真の統一であったと彼は言いました。空間結晶は平衡状態にあり、これに関連して連続的な空間並進対称性を破ります。時間の場合、離散時間変換対称性のみが時間結晶によって破られる可能性があるという発見は、時間と空間の区別に新しい角度をもたらします。
これらの議論は、量子コンピューターでの探査の可能性に後押しされて継続されます。物性物理学者はかつて、自然界の位相に関心を持っていました。 「焦点は、自然が私たちに与えるものを研究することから、量子力学が可能にするエキゾチックな形の物質を夢見ることに移った.
更新: 2021 年 7 月 30 日
この記事の公開後、 Quanta は、別の研究グループが 7 月 5 日に、ダイヤモンドの 9 個の炭素原子を使用してタイム クリスタルを作成したと主張するプレプリントを投稿したことを知りました。この結果を含むように記事を更新しました。
