В отличие от обычных кристаллов, например алмаза или кварца, кристаллы времени обладают атомной структурой, демонстрирующей повторяемость не только в пространстве, но и во времени, при этом исключается воздействие внешних факторов. Эта идея, получившая теоретическое обоснование от нобелевского лауреата Фрэнка Вильчека в 2012 году, вызвала большой интерес в научном мире, и сейчас исследователи активно изучают возможности использования этой уникальной характеристики в квантовых вычислениях. Недавно достигнут важный прогресс: квантовый процессор был преобразован в кристалл времени, что, скорее всего, изменит существующие представления об эффективности этой технологии.
Физики и математики стремятся интегрировать эту концепцию в существующие теоретические модели с момента её возникновения. В 2016 году американские ученые предложили многообещающий подход, использующий принципы квантовой механики. После этого определение «кристалла времени» было скорректировано для более точного описания закономерностей в колебаниях частиц, составляющих атомы.
В начале текущего года ученые из Дортмундского университета, возглавляемые доктором Алексом Грайлихом, достигли значительного прогресса в науке, разработав кристалл времени с продолжительностью жизни не менее 40 минут – это в 10 миллионов раз превышает показатели предыдущих разработок. Для создания этого кристалла исследователи использовали арсенид индия-галлия и установили, что поляризация ядерных спинов способна вызывать самопроизвольные колебания.
В стремлении минимизировать количество ошибок в квантовых вычислениях
Июльским достижением стало создание кристалла времени из крупных атомов, совместными усилиями специалистов из Венского и Цинхуа университетов. Данное открытие открывает перспективы для разработки более совершенных измерительных приборов.
Одной из ключевых задач в квантовых вычислениях является поддержание когерентности кубитов, которые являются квантовыми аналогами классических битов. Взаимодействие кубитов с окружающей средой вносит возмущения, приводящие к сбоям в работе программы, и эта проблема усугубляется с ростом числа кубитов. Разработка системы, основанной на принципах, заимствованных у кристаллов времени, может способствовать снижению таких ошибок, улучшая когерентность и стабильность кубитов.
Команда ученых из университетов Цинхуа, Мэриленда, Гарварда и штата Айова недавно достигла значительного успеха, преобразовав квантовый процессор в кристалл времени. Этот прорыв основан на использовании топологических временных кристаллов и их специфических колебательных движений.
Благодаря этой особенности топологический кристалл времени демонстрирует повышенную устойчивость к локальным помехам. Это позволяет маятниковым колебаниям поддерживать стабильное движение, даже если отдельные компоненты квантовой системы подвергаются возмущению. Для демонстрации топологических свойств кристалла исследователи разработали прототип сверхпроводящих квантовых вычислений с высокой степенью когерентности. Полученные результаты подтверждают возможность создания квантовых систем, характеризующихся сниженной чувствительностью к внешним воздействиям.
«Нами зафиксированы признаки явления, которое можно охарактеризовать как дотепловой топологически упорядоченный кристалл времени, полученный с использованием программируемых сверхпроводящих кубитов, размещенных в квадратной структуре », — отмечают авторы исследования, представленного в журнале . Проводя различные испытания квантовой системы, исследователи установили, что она демонстрирует устойчивость к умеренному воздействию внешнего шума и сохраняет высокую стабильность.
«Изучение топологически упорядоченных фаз материи, возникающих в неравновесных условиях, представляется перспективным с использованием квантовых процессоров среднего размера и подверженных воздействию шума, как показал наш опыт », — по мнению исследователей, это открытие создает возможности для применения сверхпроводящих схем в изучении других областей, например, неравновесного движения кристаллов времени.