Кристаллы времени, в отличие от традиционных кристаллов, таких как алмаз или кварц, имеют атомную структуру, которая повторяется не только в пространстве, но и во времени, без вмешательства внешних сил. Эта концепция, теоретически обоснованная нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком в 2012 году, покорила научное сообщество, которое сейчас занято попытками использовать эту уникальную особенность для применения в квантовых вычислениях. Недавно был достигнут значительный прорыв: превращение квантового процессора в кристалл времени — прорыв, который, вероятно, переопределит стандарты производительности этой технологии.
С момента появления этой концепции физики и математики работают над тем, чтобы объединить эти идеи с существующими теоретическими моделями. В 2016 году американские исследователи наметили перспективный путь, основанный на принципах квантовой механики. С тех пор определение кристалла времени было уточнено, чтобы лучше описать регулярность колебаний частиц, из которых состоят атомы.
В начале этого года команда из Дортмундского университета под руководством доктора Алекса Грайлиха совершила научное достижение, создав кристалл времени со временем жизни не менее 40 минут, что в десять миллионов раз дольше, чем у предыдущих кристаллов. Для достижения этого результата команда использовала кристалл, состоящий из арсенида индия-галлия, обнаружив, в частности, что поляризация ядерных спинов может вызывать спонтанные колебания.
На пути к значительному сокращению ошибок в квантовых вычислениях
В июле ученым из университетов Вены и Цинхуа удалось создать кристалл времени из гигантских атомов. Этот прорыв может быть использован для создания более точных датчиков.
В квантовых вычислениях одна из главных проблем заключается в сохранении состояния когерентности кубитов (квантового эквивалента классических битов). Когда кубиты взаимодействуют с окружающей средой, они вводят дополнительные переменные, которые нарушают программу, и это явление усиливается по мере увеличения количества кубитов. Система, вдохновленная кристаллами времени, могла бы уменьшить эти ошибки за счет повышения когерентности и стабильности кубитов.
Недавно межуниверситетская команда, в которую вошли исследователи из университетов Цинхуа, Мэриленда, Гарварда и штата Айова, добилась прогресса в этой области, превратив квантовый процессор в кристалл времени. В основе этого прорыва лежат топологические временные кристаллы и их характерные маятниковые колебания.
Эта особенность делает топологический кристалл времени более устойчивым к локальным помехам. В результате маятниковые колебания сохраняют стабильное движение даже при возмущении частей квантовой системы. Переходя от теории к практике, исследователи запрограммировали форму сверхпроводящих квантовых вычислений с высокостабильной когерентностью, чтобы проиллюстрировать топологическое поведение кристалла. Это достижение показало, что вполне возможно создать квантовую систему, которая будет еще менее чувствительна к различным помехам.
«Мы сообщаем о наблюдении признаков такого явления — дотеплового топологически упорядоченного кристалла времени — с программируемыми сверхпроводящими кубитами, расположенными на квадратной решетке», — пишут исследователи в своем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications. Подвергая квантовую систему различным испытаниям, они обнаружили, что она эффективно справляется с разумным уровнем окружающего шума, сохраняя при этом отличную стабильность.
«Наши результаты демонстрируют потенциал для изучения экзотических фаз материи, которые топологически упорядочены вне равновесия, с помощью шумных квантовых процессоров среднего масштаба», — отмечает команда. По словам ученых, это открытие открывает путь к использованию сверхпроводящих схем для изучения других областей, в частности, неравновесного движения кристаллов времени.
