Forscher von Google und mehreren amerikanischen Universitäten haben über die Entstehung eines echten diskreten Zeitkristalls mit geordneten Eigenzuständen berichtet. Dieser Zustand wurde auf den Qubits des Quantenprozessors Sycamore von Google erhalten. Wissenschaftler haben gezeigt, dass der von ihnen geschaffene Zeitkristall eine Reihe von Kriterien erfüllt, die es ermöglichen, dass er als echter Zeitkristall angesehen wird. Ein Vorabdruck des Artikels wurde auf arXiv.org veröffentlicht.
Ein Zeitkristall ist ein hypothetisches System, dessen Eigenschaften sich im Laufe der Zeit periodisch ändern, auch wenn es sich im Hauptenergiezustand befindet. Diese Bezeichnung wurde mit Blick auf die üblichen Kristalle vergeben, bei denen die Periodizität in einer oder mehreren Raumrichtungen stattfindet und die Kristalle selbst bei sinkender Temperatur des Mediums entstehen. Fast unmittelbar nach dem Aufkommen der Idee der temporären Kristalle wurde jedoch von Physikern kritisiert. Tatsache ist, dass ein System im Grundzustand unter Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts keine Schwingungen ausführen kann. In einem angeregten Zustand kann seine Entwicklung nicht streng zeitlich periodisch sein, wie es das Konzept der Zeitkristalle erfordert, da das System dazu neigt, in den Grundzustand überzugehen.
Wissenschaftler haben jedoch einen Weg gefunden, dieses Problem zu umgehen. Es stellte sich heraus, dass es möglich ist, die Stabilität des Systems im angeregten Zustand zu gewährleisten, wenn es verboten ist, es mit der sogenannten Multiteilchen-Lokalisierung in den Grundzustand zu relaxieren. Dies ist ein Effekt, der der Lokalisierung von Anderson ähnelt, die ein System von Teilchen aufgrund der Quanteninterferenz ihrer Wellenfunktionen in einem ungeordneten Medium in einem kleinen Raumbereich (real oder Phase) hält. Berechnungen von Theoretikern haben gezeigt, dass es möglich ist, durch Anwenden einer externen periodischen Einwirkung auf ein lokalisiertes System Schwingungen in diesem zu induzieren, die beliebig lange andauern. Dieses Konzept wird als zeitdiskreter Kristall bezeichnet.
Seitdem haben wissenschaftliche Zeitschriften regelmäßig berichtet, dass eine bestimmte Gruppe einen diskreten Zeitkristall demonstriert hat. Einige Physiker machten jedoch darauf aufmerksam, dass nicht alle von ihnen als echte Zeitkristalle angesehen werden können, da manchmal Systeme unter ihrem Verhalten maskiert sind, das zwar langsam, aber zu einem thermodynamischen Gleichgewicht neigt, zu einem großen Zeitpunkt dazu kommt Distanz. Letztlich wurden mehrere Kriterien formuliert, die den wahren Kristall der Zeit vom scheinbaren unterscheiden, und die Experimentatoren standen vor der Aufgabe, ein System zu schaffen, das ihnen allen entspricht.
In der neuen Arbeit kooperieren die Teilnehmer des Quantum Artificial Intelligence Lab mit Physikern mehrerer amerikanischer Universitäten unter Beteiligung von Roderich Moessner, Direktor des Instituts für Physik komplexer Systeme. Max Planck, Deutschland, präsentierte Ergebnisse zur Herstellung eines zeitdiskreten Kristalls auf 20 Qubits des Sycamore-Quantenprozessors von Google. Sie zeigten, dass das von ihnen gebaute System alle zuvor formulierten Kriterien erfüllt und daher als echter zeitdiskreter Kristall angesehen werden kann.
Ihre Arbeit basiert auf der Idee geordneter Eigenzustände eines Mehrteilchen-lokalisierten Systems. Im allgemeinen Fall, wenn ein System periodisch exponiert wird, kann das Spektrum seiner Zustände ungeordnet sein. Wenn die Zustände des Systems durch Lokalisierung "eingefroren" werden, werden ihre geraden Überlagerungen im Phasenraum genau gegenüber ihren ungeraden Überlagerungen ausgerichtet. Wenn einem solchen System eine periodische Störung auferlegt wird, kann es eine Reaktion mit einer verdoppelten Periode für eine beliebig lange Zeit zeigen. In diesem Fall wird die Energie nicht gestreut oder der störenden Welle entzogen.
a) Energieniveaus eines beliebigen Systems im thermodynamischen Gleichgewicht, dessen Hamiltonoperator zeitunabhängig ist. Fernordnung wird nur im Hauptdublett beobachtet (gerade und ungerade Überlagerung). b) Ungeordnetes Spektrum eines Systems, dessen Hamilnonian periodisch von der Zeit abhängt. In diesem Fall werden Quasi-Energien auf einem Kreis von Einheitslänge deponiert. c) Geordnetes Spektrum eines Systems, dessen Hamilnonian periodisch von der Zeit abhängig ist. Gerade und ungerade Überlagerungen geordneter Zustände unterscheiden sich um 180 Grad.
Um diese Idee umzusetzen, erstellten Physiker Ketten aus 20 Transmon-Qubits eines Quantenprozessors, deren Zustände sie mit Mikrowellenstrahlung kontrollierten. Ein wichtiger Vorteil eines solchen Systems gegenüber seinen Analoga besteht darin, dass die Stärke der Wechselwirkung von Qubits mit einem externen Feld und untereinander leicht abgestimmt werden kann. Dies ermöglicht es, die Bedingungen, unter denen der Zustand des Zeitkristalls entsteht, und seine Stabilität durch Veränderung der Parameter des Ising-Modells, das solche Ketten gut beschreibt, zu untersuchen.
Um die Wahrheit des hergestellten temporären Kristalls zu bestätigen, mussten die Autoren mehrere Kriterien erfüllen: Die Periodizität sollte aufrechterhalten werden, wenn die Kopplungsparameter in einem bestimmten Parameterbereich variiert wurden und wenn Unordnung in die Anfangszustände eingeführt wurde; Beschränkungen der Größe und Zeit der Kristallkohärenz sollten durch Erhöhung der Anzahl von Qubits und Trennung der Dekohärenzeffekte von den Effekten des Übergangs in einen Gleichgewichtszustand (Thermalisierung) erweitert werden können; das gesamte Spektrum eines temporären Kristalls muss nach seinen eigenen Zuständen geordnet werden.
Physiker führten eine Reihe von Messungen durch, um nachzuweisen, dass ihre Installation alle Kriterien erfüllt. Insbesondere wurde die zeitliche Periodizität der Eigenschaften von Qubits mit Hilfe von Autokorrelationsfunktionen, die Einführung von Unordnung – mit einem Quanten-Scrambler und die Trennung von Dekohärenz von Thermalisierung – durch eine zusätzliche zeitinvertierte Einwirkung auf das System untersucht. Schließlich wiederholten die Wissenschaftler ihre Experimente für Ketten von 8, 12 und 16 Qubits, um zu sehen, ob die Raum-Zeit-Beschränkungen des untersuchten Zustands zunehmen. Letzteres bietet den Autoren zufolge eine Grundlage für die Skalierung echter temporaler Kristalle.
Es ist an dieser Stelle noch nicht ganz klar, ob ein Echtzeitkristall einen praktischen Nutzen finden kann. Ihr Ergebnis zeigt jedoch, so die Autoren, die konzeptionelle Möglichkeit der Existenz einer stabilen Nichtgleichgewichtsphase. Letztlich bieten solche Studien die Möglichkeit, die Natur von Raum und Zeit aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten. Darüber hinaus kann die Herstellung temporärer Kristalle auf Quantenprozessoren eine zusätzliche Motivation für die Entwicklung von Quantencomputern sein.
Die Physik der Zeitkristalle ist einer der Bereiche, die sich buchstäblich vor unseren Augen entwickeln. Wir haben bereits darüber gesprochen, wie man temporäre Kristalle auf Ytterbium-Atomen und in Bose-Kondensat erzeugt, und dass sich der temporäre Kristall auf Magnonen auch bei Raumtemperatur als stabil erwiesen hat.
