Sycamore (квантовый компьютер)

Основная статья: Квантовый компьютер и квантовая связь

2021: Временной кристалл с упорядоченными собственными состояниями

4 августа 2021 года стало известно о том, что исследователи из Google и нескольких американских университетов сообщили о создании истинного дискретного временного кристалла с упорядоченными собственными состояниями. Такое состояние было получено на кубитах квантового процессора Sycamore от Google. Ученые продемонстрировали, что созданный ими временной кристалл удовлетворяет целому ряду критериев, которые позволяют считать его истинным временным кристаллом. Препринт статьи опубликован на arXiv.org.

Как пояснялось, временной кристалл — это гипотетическая система, чьи характеристики периодически изменяются во времени даже в том случае, если она находится в основном энергетическом состоянии. Такое название было дано с оглядкой на привычные кристаллы, в которых периодичность имеет место в одном или нескольких пространственных направлениях, а сами кристаллы образуются тогда, когда температура среды понижается. Впрочем, практически сразу после возникновения идея временных кристаллов была раскритикована физиками. Дело в том, что в условиях термодинамического равновесия система, находящаяся в основном состоянии, не может совершать какие-либо колебания. В возбужденном же состоянии ее эволюция не может быть строго периодической во времени, как того требует концепция кристаллов времени, из-за стремления системы к переходу в основное состояние.

Тем не менее, ученые нашли способ, как обойти эту проблему. Оказалось, что можно обеспечить стабильность системы в возбужденном состоянии, если запретить ей релаксировать в основное состояние с помощью, так называемой, многочастичной локализации. Это эффект, родственный локализации Андерсона, который удерживает систему частиц в небольшой области пространства (реального или фазового) за счет квантовой интерференции их волновых функций в разупорядоченной среде. Расчеты теоретиков показали, что, прикладывая к локализованной системе внешнее периодическое воздействие, можно вызвать в ней колебания, которые будут продолжаться сколь угодно долго. Такая концепция получила название дискретного временного кристалла.

С этого момента в научных журналах периодически появлялись сообщения о том, что та или иная группа продемонстрировала дискретный временной кристалл. Однако ряд физиков обратили внимание, что не все из них можно считать истинными временными кристаллами, поскольку иногда под их поведение маскируются системы, которые, хоть и медленно, но стремятся к термодинамическому равновесию, приходя к нему на большой временной дистанции. В конечном итоге, было сформулировано несколько критериев, отличающих истинный кристалл времени от кажущегося таковым, и перед экспериментаторами встала задача создать систему, которая соответствует им всем.

В работе участники коллаборации Quantum Artificial Intelligence Lab совместно с физиками из нескольких американских университетов при участии Родериха Мёсснера (Roderich Moessner), директора Института физики сложных систем им. Макса Планка, Германия, представили результаты по созданию дискретного кристалла времени на 20 кубитах квантового процессора Sycamore, созданного Google. Они показали, что построенная ими система удовлетворяет всем сформулированным ранее критериям и потому может считаться истинным дискретным временным кристаллом.

В основе их работы лежит идея упорядоченных собственных состояний многочастично-локализованной системы. В общем случае, когда система подвергается периодическому воздействию, спектр ее состояний может иметь беспорядочный характер. Когда же состояния системы «заморожены» локализацией, их четные суперпозиции выстраиваются в фазовом пространстве ровно напротив их нечетных суперпозиций. При наложении на такую систему периодического возмущения она может демонстрировать отклик с удвоенным периодом сколь угодно долго. Энергия при этом не рассеивается и не забирается от возмущающей волны.

a) Энергетические уровни произвольной системы в термодинамическом равновесии, чей гамильтониан не зависит от времени. Дальний порядок наблюдается только в основном дуплете (четная и нечетная супепозиция). b) Неупорядоченный спектр системы, чей гамильнониан зависит от времени периодически. Квазиэнергии при этом откладываются на окружности единичной длины. c) Упорядоченный спектр системы, чей гамильнониан зависит от времени периодически. Четные и нечетные суперпозиции упорядоченных состояний отличаются друг от друга на 180 градусов.

Для реализации этой идеи физики создавали цепочки из 20 трансмонных кубитов квантового процессора, состояниями которых они управляли с помощью микроволнового излучения. Важная возможность такой системы перед аналогами заключается в том, что силу взаимодействия кубитов с внешним полем и друг с другом можно легко настраивать. Это дает возможность исследовать условия, при которых возникает состояние кристалла времени, и его устойчивость, меняя параметры модели Изинга, которая хорошо описывает такие цепочки.

Для подтверждения истинности изготовленного временного кристалла, авторам нужно было удовлетворить несколько критериев: периодичность должна сохраняться при варьировании параметров связи в некотором диапазоне параметров и при внесении беспорядка в исходные состояния; ограничения по размеру и времени когерентности кристалла должны быть расширяемы путем увеличения числа кубитов и разделения эффектов декогеренции от эффектов перехода в равновесное состояние (термализации); весь спектр временного кристалла должен быть упорядочен по собственным состояниям.

Физики провели серию измерений для доказательства того, что их установка удовлетворяет всем критериям. В частности, временная периодичность свойств кубитов исследовалась с помощью автокорреляционных функций, внесение беспорядка — с помощью квантового скремблера, а отделение декогерентности от термализации — с помощью дополнительного, инвертированного по времени воздействия на систему. Наконец, ученые повторили свои опыты для цепочек из 8, 12 и 16 кубитов, чтобы убедиться в увеличении пространственно-временных ограничений исследуемого состояния. Последнее, по словам авторов, дает базу для масштабирования истинно временных кристаллов.

На август 2021 года не до конца ясно, сможет ли истинный временной кристалл найти практическое применение. Однако, как утверждают авторы, их результат показывает концептуальную возможность существования стабильной неравновесной фазы. В конечном итоге такие исследования дают возможность взглянуть на природу пространства и времени под другим углом. Кроме того, создание временных кристаллов на квантовых процессорах может стать дополнительной мотивацией разработки квантовых компьютеров^[1].

2019: Google создала самый мощный квантовый компьютер в мире

В середине сентября 2019 года компания Google объявила, что смогла создать самый мощный в мире квантовый компьютер. Информация об устройства была опубликовала в докладе NASA, который впоследствии был удалён с сайта организации.

В сообщении говорилось, что Google достигла рубежа, известного как квантовое превосходство, поскольку ее квантовый компьютер может использоваться для выполнения вычислений, не подвластными другим электронным системам.

Google объявила, что смогла создать самый мощный в мире квантовый компьютер

Google сообщила, что ей удалось создать квантовый процессор, который смог за 3 минуты и 20 секунд произвести вычисления, которые требуют около 10 тысяч лет работы самого современного суперкомпьютера компании IBM Summit, — говорится в сообщении.

Эта горячо ожидаемая цель должна ознаменовать начало новой эры квантовых вычислений. Хотя текст доклада исчез с сайта NASA, по всей сети разошлась статья, анонимно размещенная на сайте Pastebin. Согласно этой версии статьи, Google создала квантовый компьютер под названием Sycamore с 54 квантовыми битами, называемыми кубитами, 53 из которых функционировали.

Представитель Google отказался от комментариев по запросу Financial Times. Источник издания в компании, знакомый с ситуацией, предполагает, что в NASA случайно опубликовали доклад раньше времени, прежде чем содержащиеся в нем выводы были тщательно проверены другими учеными.

Если доклад выдержит научную проверку, в квантовой науке произойдет настоящий переворот. Эксперты полагают, что при появлении хотя бы одного реального квантового компьютера мощность новых моделей будет расти вдвое быстрее экспоненциального роста, определяемого законом Мура для традиционных вычислительных устройств. Впрочем, в докладе говорилось, что квантовый компьютер пока не готов к решению практических задач. ^[2]

Примечания