کریستال زمان چیست؟

چگونه محققان گوگل از کامپیوترهای کوانتومی برای ساخت کریستال زمان استفاده می کنند؟کریستال زمان برای اولین بار در یک دهه یا بیشتر پدیدار شد، و نوع جدیدی از ماده است که شباهت عجیبی به حرکت دائمی یک ماشین دارد.

قطعات کریستال زمان از نظر تئوری می توانند در یک چرخه تکرار شونده بدون مصرف انرژی تا ابد حرکت کنند، مانند ساعتی که برای همیشه بدون هیچ باتری کار می کند.
دانشمندان سال هاست که برای ایجاد این مرحله جدید از ماده رقابت کرده اند. اکنون محققان Google Quantum AI و همکارانشان فاش می‌کنند که بلورهای زمان را با استفاده از سخت‌افزار محاسباتی کوانتومی Sycamore Google ایجاد کرده‌اند، یافته‌هایی که به صورت آنلاین در 30 نوامبر(9آذر) در مجله Nature به تفصیل شرح داده شده‌اند.

در حالی که کامپیوترهای کلاسیک ترانزیستورها را روشن یا خاموش می‌کنند تا داده‌ها را به صورت یک و صفر نشان دهند، کامپیوترهای کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که به دلیل ماهیت مکانیک کوانتومی، می‌توانند در حالت برهم نهی کوانتومی وجود داشته باشند که در آن هر دو 1 و 0 به طور همزمان هستند. . با اتصال کیوبیت ها به یکدیگر از طریق یک اثر کوانتومی به نام درهم تنیدگی، یک کامپیوتر کوانتومی 300 کیوبیتی از نظر تئوری می تواند محاسبات بیشتری را در یک لحظه از اتم های موجود در جهان مرئی انجام دهد. در سال 2019، گوگل استدلال کرد که از Sycamore برای نمایش "اولیه کوانتومی" استفاده کرده است، و پاسخی برای مشکلاتی که هیچ کامپیوتر کلاسیکی هرگز قادر به حل آن نیست، پیدا کرده است.
در مطالعه جدید، محققان از یک سیستم 20 کیوبیتی نه برای محاسبه، بلکه برای درک بلورهای زمان استفاده کردند. برای کسب اطلاعات بیشتر، با دانشمند تحقیقاتی کارکنان گوگل، Kostyantyn Kechedzhi و دانشمند تحقیقات ارشد گوگل، شیائومی، صحبت کردیم که بیشتر تحقیقات را به ترتیب در جنبه های نظری و تجربی انجام دادند. مکالمه برای طولانی و وضوح ویرایش شده است.

کریستال زمان چیست؟
Koکریستال سیستمی متشکل از اتم های بسیاری است که به دلیل برهم کنش های متقابل، خود را در قالب یک الگوی تناوبی در فضا سازمان میابند. کریستال زمان یک سیستم کوانتومی متشکل از ذرات بسیاری است که خود را در یک الگوی حرکتی تناوبی سازماندهی می‌کنند - دوره‌ای در زمان و نه در مکان - که برای همیشه ادامه می‌یابد.
 بلورهای زمان را با چه چیزی در طبیعت مقایسه می‌کنید؟
حرکت تناوبی دائمی در طبیعت بسیار آشناست. سیستمی متشکل از دو جرم عظیم که به دلیل گرانش یکدیگر را جذب می کنند ساده ترین مثال است - این دو جرم به دنبال مدارهای کاملاً دوره ای در اطراف مرکز جرم مشترک حرکت می کنند. در نگاه اول، ممکن است این نمونه ای از یک کریستال زمان به نظر برسد. با این حال، نوآوری کلیدی یک کریستال زمان، حرکت تناوبی سیستمی از اجسام متعدد است که با یکدیگر در تعامل هستند.
سیستمی از بسیاری از اجرام متقابل رفتار کاملاً متفاوتی را در مقایسه با دو جسم عظیم که به دور یکدیگر می چرخند نشان می دهد - به جای الگوهای مکرر، حرکت دائماً تغییر می کند. به عنوان مثال: در منظومه شمسی، سیارات از مسیرهایی پیروی می کنند که تقریباً تناوبی هستند، اما رفتار واقعی سیارات آشفته است، به این معنی که انحراف کوچک یک سیاره از مسیر امروزی خود منجر به یک مسیر کاملاً تغییر شکل در طول زمان می شود، البته میلیاردها سال .
قانون دوم ترمودینامیک، فرض می‌کند که سیستم‌های بسیاری از اجسام در حال تعامل به سمت بی‌نظمی بیشتری گرایش دارند، که در تضاد با حرکات کاملاً تناوبی کریستال زمان ظاهر می‌شود. با این وجود، سیستمی متشکل از اجسام کوانتومی در حال تعامل، می تواند حرکت تناوبی را بدون نقض قانون دوم ترمودینامیک به دلیل پدیده ای اساساً کوانتومی به نام مکان یابی چند جسمی، نشان دهد.
بنابراین، یک کریستال زمان موضعی با بدنه‌های مختلف را ایجاد میکند. این یک کریستال زمان است که از بخش‌های زیادی تشکیل شده است که فعالیت آن توسط یک سری پالس‌های چرخه‌ای اعمال شده خارجی هدایت می‌شود. و منظورتان از بومی‌سازی این است که قوانین فیزیکی در محلی خاص این کریستال زمانی عمل می‌کنند تا به پایدار ماندن آن و از اتلاف انرژی کمک کنند
انتظار می رود که ماشین های حرکت دائمی بدون منبع انرژی کار تولید کنند، که قوانین ترمودینامیک را زیر پا می گذارد. در مقابل، حرکت کریستال زمان بدون منبع انرژی کار تولید نمی کند و در نتیجه قوانین فیزیکی را نقض نمی کند.
آیا کریستال های زمان شما در طول زمان شکسته می شوند؟
پردازنده 100٪ از محیط جدا نیست، و این جفت ضعیف با محیط یک عمر "بیرونی" متناهی کریستال زمان را معرفی می کند. به عبارت دیگر، پس از یک زمان به اندازه کافی طولانی، نظم از بین می رود و الگوی دوره ای دیگر تکرار نمی شود.
کریستال های زمان چه کاربردهایی ممکن است داشته باشند؟
کریستال زمان مانند فرومغناطیس یا ابررسانایی، نمونه ای از شکستن تقارن خود به خود یا نظم خود به خودی است. به عنوان مثال، یک فرومغناطیس اساساً سیستمی از آهنرباهای بسیار کوچکتر است که قطبهای مغناطیسی آن همه در یک جهت قرار دارند و از این نظر مرتب شده اند. گفته می شود که تقارن در چنین حالتی "خود به خود" شکسته می شود، زیرا در ماده معمولی قطب ها همه در جهات تصادفی قرار می گیرند. نمونه‌های پایدار شکست تقارن خود به خود، همانطور که در فرومغناطیس یا مقاومت الکتریکی در حال محو شدن یک ابررسانا دیده می‌شود، اغلب دارای ارزش تکنولوژیکی قابل توجهی هستند.
شکست تقارن خود به خود با تعادل همراه است. به عنوان مثال، زمانی که به دمای پایین ثابتی برسد، آب مایع را در نظر بگیرید که به صورت کریستال منجمد می شود. یکی از ویژگی های قابل توجه کریستال زمان که مشاهده کردیم، نظم خود به خودی آن است، علیرغم اینکه از حالت تعادل خارج می شود. این مشاهدات راه را برای شناسایی دیگر حالت‌های خارج از تعادل ماده کوانتومی با انواع جدید نظم باز می‌کند.
در مورد کریستال‌های زمان چه چیزی برای تحقیق دشوار است و چرا؟
چالش این است که جداسازی ماده کوانتومی از محیط آن هیچگاه کامل نیست.
چرا از یک کامپیوتر کوانتومی برای کمک به ایجاد کریستال های زمان استفاده کنیم؟
رایانه‌های کوانتومی پلتفرم انتخابی برای شناسایی کریستال‌های زمان هستند، زیرا دارای گیت‌های منطقی کوانتومی دقیقاً کالیبره‌شده هستند.
یک گیت منطقی کوانتومی نسخه محاسباتی کوانتومی گیت های منطقی است که کامپیوترهای معمولی برای انجام محاسبات از آن استفاده می کنند؟
گیت‌های منطق کوانتومی اجازه می‌دهند تا برهم‌کنش‌های چند جسمی که برای وجود کریستال‌های زمان ضروری هستند، با دقت بسیار بالایی اجرا شوند.
مطالعات قبلی روی کریستال های زمان همگی بر روی شبیه سازهای کوانتومی انجام شده است. این پلتفرم‌ها فاقد دقت رایانه‌های کوانتومی هستند. در نتیجه، بسیاری از این آزمایش ها بعداً به دلیل تعاملات ناخواسته ناقص بودند.
محققان در مطالعه جدید خود مدارهای کوانتومی را مهندسی کرده اند، که انواع برهمکنش هایی دارند که از نظر تئوری انتظار می رود منجر به کریستال زمان شوند. سپس داده‌ها را از این مدارهای کوانتومی جمع‌آوری کرده و از تکنیک‌های مختلفی برای تأیید اینکه داده‌ها با رفتار کریستالی زمان سازگار هستند، استفاده میکنند این شامل سه مورد بود:
هرگونه پوسیدگی یا "ذوب" نظم کریستالی زمان تنها ناشی از عدم انسجام بیرونی است، نه دینامیک داخلی سیستم ، امضای کریستال زمان بدون در نظر گرفتن وضعیت اولیه سیستم وجود دارد.، می‌توان مرز فاز کریستال زمان یعنی جایی که آن "ذوب شده است" را تعیین کرد. گیت‌های منطق کوانتومی اجازه می‌دهند تا برهم‌کنش‌های چند جسمی که برای وجود کریستال‌های زمان ضروری هستند، با دقت بسیار بالایی اجرا شوند.
: چگونه کریستال‌های زمان ممکن است به رایانه‌های کوانتومی بهتری منجر شوند؟
داشتن جسمی مانند کریستال زمان که در برابر تداخل آزمایشی پایدار است، ممکن است به طراحی حالت‌های کوانتومی با عمر طولانی کمک کند، این یک وظیفه حیاتی برای بهبود پردازنده‌های کوانتومی در آینده است.
یکی از اهداف محققان این است که پردازشگر خود را به ابزاری علمی برای فیزیک و شیمی تبدیل کنند. چالش کلیدی کاهش خطا در دستگاه است. این برای کاربردهای آتی پردازنده‌های کوانتومی و تحقق محاسبات کوانتومی تحمل‌پذیر خطا، کلیدی است، که باید از طریق بهبود در سخت‌افزار، استراتژی‌های کاهش خطای الگوریتمی و درک اساسی نقش نویز در دینامیک کوانتومی بسیاری از بدنه به آن پرداخته شود.

های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید