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.

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 новой 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.