Uma equipe de pesquisadores, incluindo pesquisadores de Stanford e Google, criou e observou uma nova fase da matéria, conhecida como cristal do tempo.

Há um enorme esforço global para projetar um computador capaz de aproveitar o poder da física quântica para realizar cálculos de complexidade sem precedentes. Embora obstáculos tecnológicos formidáveis ​​ainda atrapalhem a criação de tal computador quântico, os protótipos atuais ainda podem realizar façanhas impressionantes.

Por exemplo, a criação de uma nova fase da matéria chamada “cristal do tempo”. Assim como a estrutura de um cristal se repete no espaço, um cristal de tempo se repete e, o mais importante, o faz infinitamente e sem nenhuma outra entrada de energia – como um relógio que funciona para sempre sem baterias. A busca desse estágio da matéria tem sido um desafio de longa data na teoria e na experiência – que finalmente valeu a pena.

Em pesquisa publicada em 30 de novembro de 2021 na revista temperar natureza, uma equipe de cientistas da Universidade de Stanford, do Google Quantum Eye, do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos e da Universidade de Oxford detalhou a criação de um cristal de tempo usando o Google Sycamore Estatística Quantitativa hardware.

Chip do Google Sycamore usado para criar um cristal de tempo. Crédito: Google Quantum AI

disse Matteo Ippoliti, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Stanford e co-autor principal do trabalho. “Em vez de computação, colocamos o computador para funcionar como uma nova plataforma experimental para perceber e descobrir novas fases da matéria.”

Para a equipe, o entusiasmo de suas realizações reside não apenas em criar uma nova fase da matéria, mas em abrir oportunidades para explorar novos sistemas no campo da física da matéria condensada, que estuda novos fenômenos e propriedades trazidos pelas interações coletivas de muitos coisas no sistema. (Essas interações podem ser muito mais ricas do que as propriedades de organismos individuais.)

“Os cristais de tempo são um exemplo claro de um novo tipo de fase quântica de não equilíbrio da matéria”, disse Vidika Khemani, professora assistente de física na Universidade de Stanford e autora principal do artigo de pesquisa. “Embora muito do nosso conhecimento da física da matéria condensada dependa de sistemas de equilíbrio, esses novos dispositivos quânticos nos fornecem uma janela fascinante para novos sistemas de não equilíbrio na física multicorpo.”

Que hora de cristal e o que não é

Os ingredientes básicos para fazer um cristal desta vez são os seguintes: o equivalente físico de uma mosca da fruta e algo para lhe dar um impulso. Drosophila em Física é o modelo de Ising, uma ferramenta de longa data para a compreensão de vários fenômenos físicos – incluindo transições de fase e magnetismo – que consiste em uma rede onde cada posição de partícula ocupa que pode estar em dois estados, representados como uma rotação para cima ou para baixo.

Durante seus anos de pós-graduação, Khimani foi seu orientador de doutorado, Shivaji Sundi, então em Universidade de Princeton, e Achilleas Lazarides e Roderich Moessner, do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos, inconscientemente, tropeçaram nessa receita para fazer cristais de tempo. Eles estavam estudando sistemas de não equilíbrio de muitos corpos – sistemas onde as partículas “ficam presas” no estado em que começaram e nunca podem relaxar no estado de equilíbrio. Eles estavam interessados ​​em explorar as fases que podem se desenvolver em tais sistemas quando são “chutados” periodicamente pelo laser. Eles não só foram capazes de encontrar fases estáveis ​​de desequilíbrio, como também encontraram uma em que o giro da partícula oscilava entre padrões que se repetem ao longo do tempo, duas vezes mais que o comando do laser, formando um cristal de tempo.

Uma vista do refrigerador Google Mitigation, que abriga uma fatia de sicômoro. Crédito: Google Quantum AI

O movimento periódico do laser define um ritmo específico da dinâmica. Normalmente a “dança” dos enrolamentos deveria coincidir com este ritmo, mas ao mesmo tempo o cristal não. Em vez disso, os ciclos giram entre dois estados, apenas completando o ciclo após serem chutados pelo laser duas vezes. Isso significa que a consistência do tempo de compilação do sistema está desabilitada. As simetrias desempenham um papel fundamental na física e muitas vezes são quebradas – explicando as origens dos cristais comuns, ímãs e muitos outros fenômenos; Porém, a simetria da translação no tempo se destaca porque, ao contrário das outras simetrias, ela não pode ser quebrada em equilíbrio. O chute periódico é uma brecha que torna possível os cristais de tempo.

Dobrar o período de oscilação é incomum, mas não sem precedentes. As oscilações de longa duração também são muito comuns na dinâmica quântica de poucos sistemas de partículas. O que torna um cristal de tempo único é que ele é um sistema de milhões de coisas que exibem esse tipo de comportamento coordenado sem qualquer entrada de energia. ou vazar.

“É uma fase da matéria completamente robusta, onde você não desliga parâmetros ou estados, mas seu sistema ainda é quântico”, disse Sundy, professor de física em Oxford e co-autor do artigo de pesquisa. “Não há alimentação de energia, não há esgotamento de energia e isso continua para sempre e envolve muitas partículas altamente reativas.”

Embora isso possa parecer suspeitamente próximo a uma “máquina de movimento perpétuo”, um olhar mais atento revela que os cristais do tempo não quebram nenhuma lei física. A entropia – uma medida da desordem em um sistema – permanece constante ao longo do tempo, satisfazendo marginalmente a segunda lei da termodinâmica por meio da não-diminuição.

Entre o desenvolvimento desse plano para um cristal de tempo e o experimento do computador quântico que o trouxe à vida, os experimentos de muitas equipes diferentes de pesquisadores alcançaram muitos marcos de cristal mais ou menos naquele tempo. No entanto, fornecer todos os ingredientes na receita de “localização de muitos corpos” (o fenômeno que permite a cristalização em tempo infinitamente fixo) continuou sendo um grande desafio.

Para Khemani e seus colaboradores, a etapa final para alcançar o sucesso do Crystal foi trabalhar com uma equipe do Google Quantum AI. Juntos, esse grupo usou o hardware de computação quântica Sycamore do Google para programar 20 “spins” usando a versão quântica das informações de um computador clássico, conhecido como qubits.

Revelando quanto interesse em cristais de tempo está atualmente, os cristais foram mais uma vez implantados em Ciência Este mês. Este cristal foi criado usando qubits dentro do diamante por pesquisadores da Delft University of Technology, na Holanda.

Chances quânticas

Os pesquisadores foram capazes de confirmar sua afirmação de um cristal em tempo real graças aos recursos especiais de um computador quântico. Embora o tamanho finito e o tempo de coerência do dispositivo quântico (imperfeito) significassem que seu experimento era limitado em tamanho e duração – de modo que as oscilações do cristal só podem ser observadas por algumas centenas de ciclos, em vez de indefinidamente – os pesquisadores desenvolveram diferentes protocolos para avaliar o estabilidade de sua criação. Isso incluiu executar a simulação para frente e para trás no tempo e aumentá-la.

“Usamos com sucesso a engenhosidade de um computador quântico para nos ajudar a analisar seus limites”, disse Moessner, co-autor do artigo de pesquisa e diretor do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos. “Ele basicamente nos disse como corrigir seus próprios erros, de modo que a impressão digital do comportamento perfeito de um cristal de tempo pudesse ser verificada por meio de observações de tempo limitado.”

A principal assinatura de um cristal de tempo ideal é que ele exibe oscilações indeterminadas de todos Estados. Verificar esse poder na seleção de estados tem sido um grande desafio experimental, e os pesquisadores desenvolveram um protocolo para examinar mais de um milhão de estados de cristais de tempo em apenas um ciclo do dispositivo, exigindo meros milissegundos de tempo de execução. É como ver um cristal físico de muitos ângulos para verificar sua estrutura de repetição.

“A característica única de nosso processador quântico é sua capacidade de criar estados quânticos altamente complexos”, disse Xiao Mei, pesquisador do Google e co-autor do artigo. “Esses estados permitem que as estruturas de fase do material sejam investigadas com eficácia, sem a necessidade de investigar todo o espaço computacional – uma tarefa, de outra forma, intratável.”

Criar uma nova fase da matéria é, sem dúvida, emocionante em um nível fundamental. Além disso, o fato de que esses pesquisadores foram capazes de fazer isso indica a crescente utilidade dos computadores quânticos para outras aplicações além da computação. “Estou otimista de que com mais e melhores qubits, nossa abordagem pode se tornar um método importante no estudo da dinâmica do desequilíbrio”, disse Pedram Roshan, pesquisador do Google e autor sênior do artigo.

“Achamos que o uso mais interessante de computadores quânticos agora é como plataformas para a física quântica fundamental”, disse Ippoliti. “Com os recursos exclusivos desses sistemas, há esperança de que você descubra alguns fenômenos novos que não esperava.”

Referência: “Eigenstate Time-Crystalline Ranking on a Quantum Processor” por Xiao Mi, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Ami Greene, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arute, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Joseph C. Bardin, João 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 Hove, William J. Huggins, LB Evland, Sergey V. Isakov, Justin Evland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Caffrey, Tanuj Khattar, Seon Kim, Alexei Kitaev, Paul F. Klimov, Alexander N. Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Pavel Laptev, Joonho Lee, Kenny Lee, Aditya Locharl A, Eric Lucero, Orion Martin, Jarrod R MacLean, Trevor McCourt, Matt McQueen, Kevin C. Meow, Masoud Mohseni, Shirinazeri, Wojci Montozkowicz , Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Thomas Yusin nascida 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, 30 de novembro de 2021, temperar natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04257-w

O trabalho foi liderado pela Universidade de Stanford, Google Quantum AI, o Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos e a Universidade de Oxford. A lista completa de autores está disponível em temperar natureza papel.

Esta pesquisa foi financiada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA).Darpa), Google Research Award, Sloan Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation e Deutsche Forschungsgemeinschaft.