에너지 없음에 대한 영원한 변화 :시간 수정이 마침내 현실화되었습니다.

목요일 밤에 온라인으로 게시 된 프리 프린트에서 스탠포드, 프린스턴 및 기타 대학의 물리학 자와 협력하여 Google의 연구원들은 Google의 양자 컴퓨터를 사용하여 진정한“시간 결정”을 보여 주었다고 말합니다. 또한 이달 초에 다이아몬드에 시간 크리스탈을 만들었다고 주장했다.

물리학 자들이 수년 동안 깨닫기 위해 노력한 새로운 물질의 단계는 시간 결정은 부분적으로 반복되는 주기로 부분이 움직이는 물체로, 에너지를 태우지 않고 이러한 끊임없는 변화를 유지합니다.

독일 드레스덴의 복잡한 시스템 물리학 연구소 (Max Planck Instit 그것은 장애가 항상 증가한다고 말하는 법입니다.

시간 결정은 또한 자발적으로 "시간 전환 대칭"을 자발적으로 파괴하는 첫 번째 객체입니다. 시간 크리스탈은 안정적이고 끊임없이 변화하며, 정기적으로 시간이 지남에 따라 특별한 순간이 있습니다.

Time Crystal은 새로운 단계의 물질 단계이며 단계가 무엇인지에 대한 정의를 확장합니다. 물이나 얼음과 같은 다른 모든 알려진 단계는 열 평형에 있습니다. 구성 원자는 주변 온도에 의해 허용되는 가장 낮은 에너지로 상태에 정착되었으며, 그 특성은 시간이 지남에 따라 변하지 않습니다. 시간 결정은 최초의 "평형 외"단계입니다. 흥분하고 진화하는 상태에도 불구하고 질서와 완벽한 안정성이 있습니다.

스탠포드 (Stanford)의 압축 물리학자인 Vedika Khemani는“이것은 우리가 지금 일하고있는 완전히 새롭고 흥미 진진한 공간입니다.

Khemani, Moessner, Princeton의 Shivaji Sondhi 및 영국 Loughborough University의 Achilleas Lazarides는이 단계의 가능성을 발견하고 2015 년에 주요 특성을 설명했습니다. 산타 바바라 (Santa Barbara)는 마이크로 소프트 스테이션 Q와 캘리포니아 대학교 (University of California)의 Chetan Nayak이 이끄는 물리학 자의 라이벌 그룹 인

연구원들은 지난 5 년 동안 시간 결정을 내 렸지만 이전의 데모는 자체적으로 성공했지만시 결정의 존재를 확립하는 데 필요한 모든 기준을 충족시키지 못했습니다. 옥스포드 대학의 요약 물리학자인 존 콜 커 (John Chalker)는“이러한 실험이 완전히 성공하지 못했고 [Google '과 같은 양자 컴퓨터는 특히 이전 실험보다 훨씬 더 나은 일을 할 수 있다고 생각할만한 충분한 이유가있다”고 말했다.

Google의 Quantum Computing Team은 2019 년에 일반 컴퓨터가 실용적인 시간에 할 수없는 것으로 생각되지 않았다는 최초의 계산을 수행했을 때 헤드 라인을 만들었습니다. 그러나 그 임무는 속도를 높이기 위해 고안되었으며 고유 한 관심이 없었습니다. 새로운 시간 Crystal 데모는 양자 컴퓨터가 처음으로 고용을 발견 한 것 중 하나를 표시합니다.

Nayak은“[Google의] 프로세서를 환상적으로 사용하는 것입니다

어제의 사전 인쇄물과 출판을 위해 제출 된 기타 최근 결과를 통해 연구원들은 양자 컴퓨터에 대한 최초의 희망을 충족 시켰습니다. 물리학 자 Richard Feynman은이 장치를 제안하는 1982 년 논문에서 상상할 수있는 양자 시스템의 입자를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다고 주장했다.

시간 결정은 그 비전을 보여줍니다. 섬세한 성분의 복잡한 조합을 감안할 때 자연 자체가 결코 만들지 않는 양자 대상입니다. 상상력은 자연의 가장 당황스러운 법에 의해 자극 된 레시피를 불러 일으켰습니다.

불가능한 아이디어, 부활

시간 크리스탈의 원래 개념은 치명적인 결함을 가졌습니다.

노벨상을 수상한 물리학자인 프랭크 윌크 제크 (Frank Wilczek)는 2012 년 에이 아이디어를 생각하면서 평범한 (공간적) 크리스탈에 대한 수업을 가르치 면서이 아이디어를 생각했습니다. "우주의 결정에 대해 생각한다면, 결정 성 행동의 분류에 대해 생각하는 것도 매우 당연합니다."그는 얼마 지나지 않아이 잡지에 말했습니다.

탄소 원자 덩어리의 결정상 인 다이아몬드를 고려하십시오. 덩어리는 우주의 모든 곳에서 동일한 방정식에 의해 지배되지만, 이는 주기적 공간 변화가있는 형태를 취하며,이란은 격자 지점에 위치합니다. 물리학 자들은“자발적으로 우주 번역 대칭을 깨뜨린다”고 말합니다. 최소 에너지 평형 상태만이 이러한 방식으로 공간 대칭을 자발적으로 파괴합니다.

Wilczek은 다이아몬드와 마찬가지로 균형의 멀티 파트 객체를 구상했습니다. 그러나이 객체는 시간 변환 대칭을 깨뜨립니다. 정기적 인 모션을 거쳐 정기적으로 초기 구성으로 돌아갑니다.

Wilczek의 제안 된 시간 Crystal은 벽 시계와는 크게 달랐습니다. 시계 손은 에너지를 태우고 배터리가 소진되면 멈 춥니 다. Wilczekian Time Crystal은 시스템이 매우 안정적인 평형 상태에 있기 때문에 입력이 필요하지 않으며 무기한으로 계속됩니다.

불가능한 소리가 들리면, 그것은 많은 스릴과 논쟁 후에, 2014 년 증거에 따르면 Wilczek의 처방전은 역사 전반에 걸쳐 다른 모든 영구 모션 기계와 마찬가지로 실패한 것으로 나타났습니다.

그해 프린스턴의 연구원들은 다른 것에 대해 생각하고있었습니다. Khemani와 그녀의 박사 과정 고문 인 Sondhi는 많은 몸매, 앤더슨 현지화의 확장, 노벨상을 수상한 1958 년 발견이 마치 견고한 풍경의 틈새에있는 것처럼 전자가 제자리에 고정 될 수 있다는 발견을 연구하고있었습니다.

전자는 파도로 가장 잘 묘사되며, 다른 장소의 높이는 입자를 감지 할 가능성이 있습니다. 파도는 자연스럽게 시간이 지남에 따라 퍼집니다. 그러나 필립 앤더슨 (Philip Anderson)은 결정 격자에 임의의 결함이있는 것과 같은 임의성이 전자의 파도가 헤어지고, 그 자체를 파괴적으로 방해하며, 작은 지역을 제외한 모든 곳을 취소 할 수 있음을 발견했습니다. 입자가 국한됩니다.

사람들은 수십 년 동안 여러 입자 간의 상호 작용이 간섭 효과를 파괴 할 것이라고 생각했습니다. 그러나 2005 년 프린스턴과 컬럼비아 대학교의 3 명의 물리학자는 1 차원 양자 입자 사슬이 많은 바디 국소화를 경험할 수 있음을 보여 주었다. 즉, 그들은 모두 고정 상태에 갇히게됩니다. 이 현상은 시간 결정의 첫 번째 성분이 될 것입니다.

각각의 자기 방향 (또는“스핀”)을 가진 입자 행을 상상해보십시오. 처음 네 회전이 처음에 위로 올라가고 아래로, 아래로 향한다고 상상해보십시오. 스핀은 가능한 경우 기계적으로 변동하고 빠르게 정렬됩니다. 그러나 그들 사이의 임의의 간섭으로 인해 입자 행이 특정 구성에 갇히게되어 열 평형으로 정렬하거나 정착 할 수 없습니다. 그들은 무기한으로, 아래로, 아래로, 아래로 올라갑니다.

Sondhi와 Collaborator는 많은 신체 현지 시스템이 특별한 종류의 순서를 전시 할 수 있음을 발견했습니다. 이는 시간 결정의 두 번째 핵심 요소가 될 것입니다. 시스템의 모든 스핀을 뒤집 으면 (우리의 예에서, 위아래로, 위아래로), 또 다른 안정적이고 많은 바디 로컬 화 된 상태를 얻습니다.

Moessner, Lazarides, Sondhi 및 Khemani는 많은 신체 현지 시스템이 주기적으로 이런 식으로 구동 될 때 어떤 일이 발생하는지 연구했습니다. 그들은 계산 및 시뮬레이션에서 특정 방식으로 레이저로 현지화 된 스핀 체인을 간지럽 히면 앞뒤로 뒤집어 레이저에서 순 에너지를 흡수하지 않고 영원히 반복되는 주기로 두 개의 다른 많은 신체 상태 사이를 이동합니다.

그들은 그들의 발견을 PI 스핀 글라스 단계라고 불렀습니다 (각도 PI는 180도 플립을 의미합니다). 이 그룹은 2015 년 프리 인쇄 에서이 새로운 물질의 개념 (지금까지는 최초의 많은 바디, 평형 외)의 개념을보고했지만“Time Crystal”이라는 단어는 그 어느 곳에도 나타나지 않았습니다. 저자는 Physical Review Letters 에 게시 된 업데이트 된 버전 으로이 용어를 추가했습니다. 2016 년 6 월, PI 스핀 글라스 단계와 시간 크리스탈 사이의 연결에 대한 감사의 말에 감사의 말을 전합니다.

Wilczek의 전 대학원생 인 Nayak과 공동 작업자 Dominic Else와 Bela Bauer는 Preprint의 외모와 출판물 사이에 다른 일이 일어났습니다. 2016 년 3 월 Floquet Time Crystals라는 물체의 존재를 제안하는 Preprint를 발표했습니다. 그들은 예를 들어 Khemani와 Company의 PI 스핀 글라스 단계를 지적했습니다.

Floquet Time Crystal은 Wilczek이 구상 한 종류의 행동을 나타내지 만, 주기적으로 외부 에너지 원에 의해 구동되는 동안에 만 가능합니다. 이런 종류의 시간 결정은 열 평형에 있다고 공언하지 않음으로써 Wilczek의 원래 아이디어의 실패를 우회합니다. 많은 바디 로컬 시스템이기 때문에 스핀 또는 기타 부품은 평형 안으로 정착 할 수 없습니다. 그들은 그들이있는 곳에 붙어 있습니다. 그러나 레이저 나 다른 드라이버에 의해 펌핑 되었음에도 불구하고 시스템은 가열되지 않습니다. 대신, 그것은 현지화 된 국가들 사이에서 무기한으로 순환합니다.

이미, 레이저는 스핀 행에 대한 모든 순간 사이의 대칭을 깨뜨렸다. 그러나 앞뒤로 뒤집기를 통해 스핀 행은 레이저가 부과하는 불연속 시간 번역 대칭을 더욱 깨뜨립니다. 자체 주기적주기는 레이저의 배수이기 때문입니다.

Khemani와 공동 저자는이 단계를 자세히 특징 지어 왔지만 Nayak의 그룹은 물리학의 모든 기본 개념 인 시간, 대칭 및 자발적인 대칭 중심의 언어로 그것을 뿌렸다. 그들은 더 섹시한 용어를 제공 할뿐만 아니라 새로운 이해의 측면을 제공했으며, PI 스핀 글라스 단계를 넘어 플로 퀘 시간 결정의 개념을 약간 일반화했습니다 (특정 대칭이 필요하지 않음). 그들의 논문은 Physical Review Letters 에 출판되었습니다 2016 년 8 월, Khemani와 Company가 단계의 첫 번째 예에 대한 이론적 발견을 발표 한 지 2 개월 후.

두 그룹 모두 아이디어를 발견했다고 주장합니다. 그 이후로 라이벌 연구원들과 다른 사람들은 현실에서 시간 수정을 만들기 위해 경쟁했습니다.

완벽한 플랫폼

Nayak의 승무원은 메릴랜드 대학교의 Chris Monroe와 팀을 이루어 전자기장을 사용하여 이온을 포획하고 제어했습니다. 지난 달 에이 그룹은 과학 에보고했다 그들은 갇힌 이온을 대략적인 또는 "사전"시간 결정으로 바꿨습니다. 그것의 주기적 변화 (이 경우, 두 상태 사이에서 점프하는 이온)는 진정한 시간 결정과 실질적으로 구별 할 수 없다. 그러나 다이아몬드와는 달리,이 예비 시간 결정은 영원하지 않습니다. 실험이 충분히 오래 실행되면 시스템은 점차 평형화되고 주기적 행동이 무너질 것입니다.

Khemani, Sondhi, Moessner 및 공동 작업자는 다른 곳에서 마차를 쳤다. 2019 년 Google은 Sycamore Quantum 컴퓨터가 200 초 만에 기존 컴퓨터가 10,000 년이 걸리는 작업을 완료했다고 발표했습니다. (다른 연구자들은 나중에 일반 컴퓨터의 계산 속도를 크게 높이는 방법을 설명 할 것입니다.) Moessner는 발표 논문을 읽을 때 그와 그의 동료들은“Sycamore 프로세서에는 기본 빌딩이 플로 퀴 타임 크리스탈을 깨닫는 데 필요한 것들을 정확하게 포함한다는 것을 깨달았습니다.”

Sycamore의 개발자들은 또한 기계와 관련하여 무언가를 찾고 있었는데, 이는 풀 플레딩 Quantum 컴퓨터를 위해 설계된 암호화 및 검색 알고리즘을 실행하기에는 너무 오류가 발생하기 쉬운 것입니다. Khemani와 동료들이 Google의 이론가 인 Kostya Kechedzhi에 연락했을 때, 그와 그의 팀은 Time Crystal Project에 대해 빠르게 협력하기로 동의했습니다. Kechedzhi는“개별 시간 결정뿐만 아니라 다른 프로젝트를 사용하는 저의 작업은 프로세서를 새로운 물리학이나 화학을 연구하기위한 과학적 도구로 사용하려고 시도하는 것입니다.

양자 컴퓨터는“큐 비트” - 본질적으로 제어 가능한 양자 입자로 구성되며, 각각은 0과 1으로 표시되는 두 개의 가능한 상태를 동시에 유지할 수 있습니다. 큐 비트가 상호 작용할 때, 그들은 기하 급수적으로 동시 가능성 수를 저글링하여 컴퓨팅 이점을 가능하게 할 수 있습니다.

Google의 퀴즈는 초전도 알루미늄 스트립으로 구성됩니다. 각각에는 두 가지 가능한 에너지 상태가 있으며, 이는 위 또는 아래로 향하는 스핀을 나타 내기 위해 프로그래밍 할 수 있습니다. 데모의 경우 Kechedzhi와 Collaborators는 시간 결정 역할을하기 위해 20 개의 큐브를 가진 칩을 사용했습니다.

아마도 경쟁 업체보다 기계의 주요 장점은 큐 비트 사이의 상호 작용의 강점을 조정하는 능력 일 것입니다. 이 조정 가능성은 시스템이 시간 결정이 될 수있는 이유의 핵심입니다. 프로그래머는 큐 비트의 상호 작용 강도를 무작위화할 수 있으며,이 무작위성은 스핀 행이 다수의 국소화를 달성 할 수 있도록 파괴적인 간섭을 만들었습니다. 큐 비트는 정렬하지 않고 정해진 방향 패턴으로 고정 될 수 있습니다.

연구원들은 스핀에게 위, 아래, 아래, 위, 위 등과 같은 임의의 초기 구성을 제공했습니다. 전자 레인지로 시스템을 펌핑하는 것은 위로 가로지는 스핀을 아래로, 그 반대를 그 반대도 마찬가지입니다. 각 초기 구성에 대해 수만 개의 데모를 실행하고 각 실행에서 다른 시간의 시간 후 큐 비트 상태를 측정함으로써, 연구원들은 스핀 시스템이 두 개의 많은 신체 현지 상태 사이에서 앞뒤로 뒤집 히고 있음을 관찰 할 수 있습니다.

단계의 특징은 극단적 인 안정성입니다. 온도가 변동하더라도 얼음은 얼음으로 유지됩니다. 실제로, 연구원들은 전자 레인지 펄스가 180 도의 야구장 어딘가에서 단지 회전을 뒤집어 야한다는 것을 발견했습니다. 또한, 스핀은 마이크로파 레이저에서 순 에너지를 흡수하거나 소산하지 않았으며, 시스템의 장애는 변하지 않았다.

7 월 5 일, 네덜란드의 Delft University of Technology에 본사를 둔 팀은 양자 프로세서가 아니라 다이아몬드의 탄소 원자의 핵 스핀에서 플로 퀴 시간 결정을 건설했다고보고했습니다. DELFT 시스템은 Google의 양자 프로세서에서 Crystal이 실현 된 시간보다 작고 제한적입니다.

Floquet Time Crystal이 실질적으로 사용할 수 있는지는 확실하지 않습니다. 그러나 그 안정성은 Moessner에게 약속하는 것 같습니다. "이것이 안정적 인 것은 드문 일이며 특별한 것들이 유용 해집니다."

또는 국가는 단지 개념적으로 유용 할 수 있습니다. 평형 이외의 단계의 첫 번째이자 가장 간단한 예이지만 연구자들은 그러한 단계가 물리적으로 가능하다고 의심합니다.

Nayak은 시간 결정이 시간의 본질에 대해 심오한 무언가를 조명한다고 주장합니다. 그는 일반적으로 물리학에서“[시간]을 또 다른 차원으로 취급하려고 노력하지만 항상 이상한 것입니다.”라고 그는 말했습니다. 아인슈타인은 통일을 최대한 활용하여 3D 공간을 4 차원 직물 :시공간으로 짜는 3D 공간을 짜었다. 그러나 그의 이론에서도 단방향 시간은 독특합니다. Nayak은 시간이 결정되면서“이것은 갑자기 모든 시간이 갱단 중 하나 인 곳을 아는 첫 번째 사례입니다.”

그러나 Chalker는 그 당시에는 이상적이라고 주장합니다. Wilczek의 시간 Crystal은 시간과 공간의 진정한 통일이었을 것이라고 그는 말했다. 공간 결정은 평형 상태이며, 이와 관련하여 연속 공간 전환 대칭을 파괴합니다. 시간의 경우, 불연속 시간 변환 대칭만이 시간에 의해 깨질 수 있다는 발견은 결정이 시간과 공간의 구별에 새로운 각도를냅니다.

이러한 논의는 양자 컴퓨터에 대한 탐색 가능성에 의해 계속 될 것입니다. 응축 된 물질 물리학 자들은 자연 세계의 단계에 관심이있었습니다. Chalker는“초점은 자연을 공부하는 것에서 우리에게주는 것에서 움직였다”고 말했다.

업데이트 : 2021 년 7 월 30 일
이 기사의 출판 후 Quanta 는 7 월 5 일에 별도의 연구 그룹이 다이아몬드에 9 개의 탄소 원자를 사용하여 시간 결정을 만들었다 고 주장하는 사전 인쇄를 게시했다는 것을 알게되었습니다. 이 결과를 포함하도록 기사를 업데이트했습니다.