オーストラリアの物理学者は、世界の半分離れた場所にある量子コンピューターをプログラムして、記録的なサイズの時間結晶を作成するか、少なくともシミュレートしました。これは、原子の空間パターンの繰り返しに幾分似た、永久的な時間サイクルに固定される量子粒子のシステムです。実際のクリスタルで。
新しいタイム クリスタルは 57 の量子粒子で構成されており、Google の科学者が昨年シミュレートした 20 粒子のタイム クリスタルの 2 倍以上の大きさです。これは非常に大きいため、従来のコンピューターではシミュレートできなかったと、Microsoft の凝縮系物理学者 Chetan Nayak は述べています。 「つまり、それは間違いなく重要な進歩です。」この研究は、物理学者の理論にのみ存在する可能性のある複雑なシステムをシミュレートする量子コンピューターの能力を示しています。
タイム クリスタルの概念は 10 年前に登場しました。マサチューセッツ工科大学のノーベル賞を受賞した理論物理学者であるフランク ウィルチェックは、通常のクリスタルの印象的な原子の空間パターンについて熟考しました。パターンはどこから来たのですか？原子間の力の方程式によって明示的に指定されていないため、どの原子も同じ確率でどこにでも存在できるように見えます。むしろ、原子が十分に冷えると自然に現れます。いくつかの原子が互いに寄り添うと、次の原子の位置が予測可能になり、力に内在するパターンのみが出現します。
Wilczek は、同様のことがいずれ起こるのではないかと考えました。彼は、時間とともに変化しない力を介して相互作用する量子粒子のシステムを想像し、エネルギーが最も低い状態でも何らかの周期的な進化を実行することに成功しました。それは不可能であることが判明しました。しかし、2016 年に、2 つの異なるグループが、何らかの外部刺激によって繰り返し刺激されるシステムを検討することで、この概念を復活させました。適切な条件下では、刺激とは異なる、より低い周波数で繰り返される時間の経過に伴う変化のパターンに固定される可能性があることを彼らは発見しました。その低い周波数応答は、タイム クリスタルの特徴です。
このシステムは、小さな量子力学的磁石のチェーンで構成されており、量子力学の奇妙な規則のおかげで、上向き、下向き、または両方の方向を同時に指すことができます。チェーンでは、隣接する磁石はエネルギーを下げるために反対方向に整列する傾向がありますが、ランダムに選択された局所磁場により、各磁石はどちらか一方の方向を指す傾向があります。磁気パルスの安定した流れはまた、定期的に磁石を上下に反転させます。アイデアは、適切な条件下では、2 つのパルスごとに 1 回、磁石の任意の構成が何度も回転するということです。実験者は、ダイヤモンド内の電子から、トラップに捕捉されたイオン、量子コンピューター内の量子ビット (キュービット) まで、さまざまなシステムでこのアイデアを実証しました。
現在、メルボルン大学の理論家 Philipp Frey と Stephan Rachel は、はるかに大きな量子ビットのデモを提供しています。彼らは、米国の IBM によって構築および実行された量子コンピューターを使用して、リモートでシミュレーションを実行しました。 0、1、または 1 と 0 を一度に設定できる量子ビットは、磁石のように相互作用するようにプログラムできます。相互作用の特定の設定について、研究者は、01101101110 などの 57 キュービットの初期設定は安定したままであり、2 パルスごとに元の状態に戻ることを発見しました。 .
一見すると、その観察は少し圧倒されるように見えるかもしれません。結局のところ、磁石が相互作用しなければ、各パルスは磁石を 180°反転させ、まさにこの半分の周波数応答を作り出します。しかし、システムを時間の結晶にするのは、磁石間の相互作用がパターンを安定させる方法であると、ハーバード大学の凝縮物質理論家である Dominic Else は説明します。これにより、システムは、スピンを完全に反転させるのに十分な長さのないパルスなどの欠陥の影響を受けなくなります。 「実際には、多くの身体の相互作用によって安定化された物質の段階です」と Else は言います。
興味深いことに、磁石の相互作用の強度を上げるだけでは十分ではありません。相互作用もまた、あるペアの隣人から次のペアへとランダムに変化する必要がある、と Rachel は説明します。すべての磁石が同じ強さで相互作用する場合、1 つの磁石がうまくいかないと、チェーンを下る他の磁石も間違った方向に反転する可能性がある、と彼は説明します。ランダム性は、実際にそのような間違いが広がるのを防ぎ、時間結晶を安定させます、とレイチェルは言います.
100 人以上の研究者が Google シミュレーションに取り組んだのに対し、Frey と Rachel は 1 人で大規模なデモンストレーションを実行し、それをインターネット経由で IBM コンピューターに送信しました。 「大学院生の私とラップトップだけでした」と Rachel は言い、「Philipp は素晴らしいです!」と付け加えました。プロジェクト全体で約 6 か月かかったと彼は見積もっています。
デモンストレーションは完璧ではありません、と Rachel は言います。フリッピング パターンは無期限に続くはずですが、IBM のマシンの量子ビットは、約 50 サイクルをシミュレートするのに十分な時間だけ状態を保持できます。最終的には、相互作用の安定化効果を利用して、一連のキュービットの状態を量子コンピューター用のメモリのようなものに保存できるかもしれませんが、そのような進歩を実現するには — 他に何が必要でしょうか — 時間がかかります.
