Οι φυσικοί παράγουν τον μεγαλύτερο κρύσταλλο χρόνου
Οι φυσικοί στην Αυστραλία έχουν προγραμματίσει έναν κβαντικό υπολογιστή μισό κόσμο μακριά για να φτιάξει, ή τουλάχιστον να προσομοιώσει, έναν κρύσταλλο χρόνου σε μέγεθος ρεκόρ—ένα σύστημα κβαντικών σωματιδίων που κλειδώνει σε έναν αέναο κύκλο στο χρόνο, κάπως παρόμοιο με το επαναλαμβανόμενο χωρικό μοτίβο των ατόμων σε πραγματικό κρύσταλλο.
Ο νέος κρύσταλλος χρόνου περιλαμβάνει 57 κβαντικά σωματίδια, περισσότερο από το διπλάσιο του μεγέθους ενός κρυστάλλου χρόνου 20 σωματιδίων που προσομοιώθηκε πέρυσι από επιστήμονες της Google. Είναι τόσο μεγάλο που κανένας συμβατικός υπολογιστής δεν θα μπορούσε να το προσομοιώσει, λέει ο Chetan Nayak, φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στη Microsoft, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. «Οπότε αυτό είναι σίγουρα μια σημαντική πρόοδος». Η εργασία δείχνει τη δύναμη των κβαντικών υπολογιστών να προσομοιώνουν πολύπλοκα συστήματα που διαφορετικά μπορεί να υπάρχουν μόνο στις θεωρίες των φυσικών.
Η έννοια του κρυστάλλου χρόνου εμφανίστηκε πριν από 10 χρόνια, όταν ο Frank Wilczek, νομπελίστας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, σκέφτηκε το εντυπωσιακό χωρικό σχέδιο ατόμων ενός συνηθισμένου κρυστάλλου. Από πού προέρχεται το μοτίβο; Δεν προσδιορίζεται ρητά από τις εξισώσεις για τις δυνάμεις μεταξύ των ατόμων, οι οποίες φαίνεται να επιτρέπουν σε οποιοδήποτε άτομο να βρίσκεται οπουδήποτε με ίση πιθανότητα. Μάλλον, αναδύεται αυθόρμητα εάν τα άτομα κρυώσουν επαρκώς. Μόλις μερικά από τα άτομα φωλιάσουν το ένα δίπλα στο άλλο, τότε η θέση του επόμενου γίνεται προβλέψιμη και εμφανίζεται ένα μοτίβο που είναι σιωπηρό μόνο στις δυνάμεις.
Ο Wilczek αναρωτήθηκε αν κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να συμβεί με τον καιρό. Οραματίστηκε ένα σύστημα κβαντικών σωματιδίων, που αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων που δεν μεταβάλλονται χρονικά, που κατά κάποιον τρόπο κατάφερε να εκτελέσει κάποια κυκλική εξέλιξη ακόμη και στη λιγότερο ενεργειακή κατάστασή της. Αυτό αποδείχθηκε αδύνατο. Ωστόσο, το 2016, δύο διαφορετικές ομάδες αναβίωσαν την ιδέα εξετάζοντας ένα σύστημα που υποκινείται επανειλημμένα από κάποιο εξωτερικό ερέθισμα. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, βρήκαν, θα μπορούσε να κλειδώσει σε ένα μοτίβο αλλαγής με την πάροδο του χρόνου που επαναλαμβάνεται σε διαφορετική, χαμηλότερη συχνότητα από το ερέθισμα. Αυτή η απόκριση χαμηλότερης συχνότητας είναι η υπογραφή ενός κρυστάλλου χρόνου.
Το σύστημα αποτελείται από μια αλυσίδα μικροσκοπικών κβαντομηχανικών μαγνητών που μπορούν να δείχνουν προς τα πάνω, προς τα κάτω ή, χάρη στους περίεργους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, και τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Στην αλυσίδα, οι γειτονικοί μαγνήτες τείνουν να ευθυγραμμίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις για να μειώσουν την ενέργειά τους, ενώ ένα τυχαία επιλεγμένο τοπικό μαγνητικό πεδίο κάνει κάθε μαγνήτη να τείνει να δείχνει περισσότερο με τον έναν ή τον άλλο τρόπο. Μια σταθερή ροή μαγνητικών παλμών ανατρέπει επίσης περιοδικά τους μαγνήτες προς τα πάνω και το αντίστροφο. Η ιδέα είναι ότι κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, οποιαδήποτε διαμόρφωση των μαγνητών θα περιστρέφεται ξανά και ξανά, μία φορά για κάθε δύο παλμούς. Οι πειραματιστές έχουν αποδείξει την ιδέα σε συστήματα που κυμαίνονται από ηλεκτρόνια σε ένα διαμάντι έως ιόντα που έχουν παγιδευτεί σε κβαντικά bit ή qubits σε έναν κβαντικό υπολογιστή.
Τώρα, ο Philipp Frey και ο Stephan Rachel, θεωρητικοί στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, προσφέρουν μια πολύ μεγαλύτερη επίδειξη qubit. Έκαναν την προσομοίωση εξ αποστάσεως, χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές που κατασκευάστηκαν και λειτουργούσαν από την IBM στις Ηνωμένες Πολιτείες. Τα qubits, τα οποία μπορούν να ρυθμιστούν σε 0, 1 ή 1 και 0 ταυτόχρονα, μπορούν να προγραμματιστούν να αλληλεπιδρούν σαν μαγνήτες. Για ορισμένες ρυθμίσεις των αλληλεπιδράσεών τους, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οποιαδήποτε αρχική ρύθμιση των 57 qubits, όπως το 01101101110 …, παραμένει σταθερή, επιστρέφοντας στην αρχική της κατάσταση κάθε δύο παλμούς, αναφέρουν σήμερα οι ερευνητές στο Scite>Scite>Scite Advances .
Εκ πρώτης όψεως, αυτή η παρατήρηση μπορεί να φανεί λίγο ακαταμάχητη. Άλλωστε, αν οι μαγνήτες δεν αλληλεπιδρούσαν, κάθε παλμός θα τους έστρεφε κατά 180°, δημιουργώντας ακριβώς αυτή την απόκριση μισής συχνότητας. Αυτό που κάνει το σύστημα κρύσταλλο χρόνου, ωστόσο, είναι ο τρόπος με τον οποίο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαγνητών σταθεροποιούν το μοτίβο, εξηγεί ο Dominic Else, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Αυτό καθιστά το σύστημα ανοσοποιητικό σε ατέλειες, όπως παλμούς που δεν είναι αρκετά μεγάλοι για να αναστρέψουν τις περιστροφές μέχρι το τέλος. «Είναι πραγματικά μια φάση της ύλης που σταθεροποιείται από τις πολλές σωματικές αλληλεπιδράσεις», λέει ο Else.
Περιέργως, δεν αρκεί απλώς να αυξήσετε τη δύναμη των αλληλεπιδράσεων των μαγνητών. Οι αλληλεπιδράσεις πρέπει επίσης να ποικίλλουν τυχαία από το ένα ζευγάρι γειτόνων στο άλλο, εξηγεί η Rachel. Εάν όλοι οι μαγνήτες αλληλεπιδρούν με την ίδια ισχύ, τότε εάν ένας μαγνήτης πάει στραβά, μπορεί να αναγκάσει και άλλους κάτω από την αλυσίδα να γυρίσουν με λάθος τρόπο, εξηγεί. Η τυχαιότητα εμποδίζει την εξάπλωση τέτοιων λαθών και σταθεροποιεί τον κρύσταλλο του χρόνου, λέει η Rachel.
Ενώ περισσότεροι από 100 ερευνητές εργάστηκαν στην προσομοίωση Google, ο Frey και η Rachel εργάστηκαν μόνοι τους για να πραγματοποιήσουν τη μεγαλύτερη επίδειξη, υποβάλλοντάς την στους υπολογιστές της IBM μέσω του Διαδικτύου. «Ήμουν μόνο εγώ, ο μεταπτυχιακός φοιτητής μου και ένας φορητός υπολογιστής», λέει η Rachel, προσθέτοντας ότι «ο Philipp είναι εξαιρετικός!» Το όλο έργο κράτησε περίπου 6 μήνες, εκτιμά.
Η επίδειξη δεν είναι τέλεια, λέει η Rachel. Το μοτίβο ανατροπής θα πρέπει να διαρκέσει επ' αόριστον, λέει, αλλά τα qubits στις μηχανές της IBM μπορούν να κρατήσουν τις καταστάσεις τους μόνο τόσο πολύ για να προσομοιώσουν περίπου 50 κύκλους. Τελικά, το σταθεροποιητικό αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση της κατάστασης μιας σειράς qubits σε ένα είδος μνήμης για έναν κβαντικό υπολογιστή, σημειώνει, αλλά η συνειδητοποίηση μιας τέτοιας πρόοδος θα πάρει —τι άλλο;— χρόνο.
