Googleを超えろ！世界最大の時間結晶が記録を破り、量子コンピューターが新たな奇跡を起こす

今日、タイムクリスタルは再び新しいスターを迎え、Sceinceサブマガジンに登場しました。

タイムクリスタルは永久機関のようなもので、さまざまな状態を永続的に切り替え、継続的にエネルギーを消費することができます。

科学者らは「IBMの量子コンピュータを使って、これまでで最大の時間結晶を作成した。これはGoogleの2倍以上の大きさだ」と述べている。

2016年に時間結晶の存在を証明した物性物理学者のチェタン・ナヤック氏でさえ、「これは間違いなく大きな進歩だ」と語った。

突破口はどこにあるのでしょうか?

メルボルン大学の物理学者フィリップ・フレイ氏とステファン・レイチェル氏は、より大きな量子ビットのデモンストレーションを行った。

現在、最新の研究「量子コンピューターの57量子ビット上での離散時間結晶の実現」が3月2日にScience Advacesに掲載されました。

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7652

この新しいタイプの時間結晶は 57 個の量子粒子で構成されており、これは Google の科学者が昨年シミュレートした 20 個の量子粒子の時間結晶の 2 倍以上です。

新しい時間結晶は非常に大きいため、従来のコンピューターではシミュレートできません。

研究者のフレイ氏とレイチェル氏は、この大規模な実験を単独で実施しました。レイチェル氏は、「私と大学院生のフレイ氏、そしてラップトップ 1 台だけでした。実験は約 6 か月間続きました」と述べています。

この研究では、科学者たちは IBM の最先端の量子コンピュータ ibmq_manhattan と ibmq_brooklyn をリモートシミュレーションに使用し、57 個の量子ビット上の離散時間結晶 (DTC) を観察しました。

離散時間結晶（DTC）シミュレーション用の57量子ビット

量子ビットは、互いに磁石のように動作するようにプログラムすることで、0 と 1 の両方、または 1 と 0 の両方に同時に設定できます。

「研究者らは、相互作用の特定の設定では、011011011110...などの57量子ビットの初期設定は安定しており、2パルスごとに元の状態に戻すことができることを発見した」と研究者らは述べた。

量子ビットは0から1までのさまざまな複雑な値を取ることができる

このように見ると、結果はそれほど目立たないように思えます。結局のところ、磁石が相互作用しなかったとしても、パルスによって磁石は 180 度反転し、同じ半分の周波数応答が生成されます。

「このシステムを時間結晶にしているのは、磁石が互いに相互作用し、構造を安定させる方法です」とハーバード大学の物性物理学者ドミニク・エルスは説明する。

これにより、パルスが十分に長くない場合でも磁石を反転できるなどの不完全性の影響を受けないシステムになります。 「これは実際には物質の相です」とエルス氏は言う。「多体相互作用によってそれが安定化されるのです。」

不思議なことに、磁石間の相互作用の強さを単純に高めるだけでは不十分でした。隣接する 2 つの磁石間の相互作用はランダムに異なる必要があります。すべての磁石が互いに同じ強さで相互作用する場合、1 つの磁石の位置がずれると、他の磁石も正しく反転しなくなります。

このランダム性により、エラーが送信されるのを防ぎ、時間結晶を安定させることができます。

レイチェルさんは、「この実験は完璧ではありません。この反転構造は永久に持続できるはずです。しかし、IBMの量子コンピューターの量子ビットは、この構造を約50サイクルしか安定に保つことができません。」と語った。

最後に、安定化相互作用効果は、量子コンピューターのストレージ形式として量子ビットの文字列の状態を保存するために使用できる可能性があります。しかし、これを最終的に達成するには、間違いなく多くの時間がかかるでしょう。

タイムクリスタルはどこから来るのでしょうか?

時間結晶という新しい概念は、ノーベル物理学賞受賞者のフランク・ウィルチェク氏によって初めて提案された2012年にまで遡ります。

時間結晶は、ウィルチェクが「すべての対称性の母」と呼んだ時間変換対称性を自発的に破ることができます。

ウィルチェク教授は「時間結晶は周期的な運動をし、一定の間隔で元の形に戻る」と語った。

つまり、時間の経過とともに変化しますが、時計の針が定期的に元の位置に戻るのと同じように、開始時と同じ形に継続的に戻ります。

実際、時間結晶は熱力学の法則に反する物体であり、多くの科学者はそのような物質は存在しないと考えています。

しかし、2016年にカリフォルニア大学サンタバーバラ校とマイクロソフトの研究者らは、パイスピングラス相に基づくフロケ「時間結晶」の存在を提唱した。

論文アドレス: https://arxiv.org/pdf/1603.08001.pdf

今回は、外部から継続的にシステムを刺激する方法を検討しました。適切な条件下では、システムは時間の経過とともに変化する構造に固定され、外部刺激よりも低い速度で何度も繰り返されることを発見した。この低周波フィードバックは時間結晶の特性です。

このシステムは、量子物理学の奇妙な法則に従って、上向き、下向き、または同時に両方向きにできる小さな量子物理学の磁石の列で構成されています。

この磁石列では、隣接する磁石は通常反対方向に配置されているため、エネルギーが減少します。ランダムに選択された局所磁場により、各磁石はいずれかの方向を向きます。

磁気パルスの一定の流れにより、磁石は定期的に反転します（下から上、または上から下）。適切な条件下では、磁石のどの向きでも 2 パルスごとに継続的に反転するという考え方です。

実験者らは、この考えをさまざまなシステムでも確認しました。あらゆるシステムは、ダイヤモンド内の電子から、容器内のイオン、量子コンピューター内の量子ビットまで、あらゆるものになり得ます。

昨年、100人以上の研究者がGoogleの時間結晶シミュレーションに参加し、Googleの量子コンピュータを使用して時間結晶を観察したと主張した。

論文アドレス: https://arxiv.org/pdf/2107.13571.pdf

タイムクリスタルがあれば永久機関が実現できるのでしょうか?

時間結晶は、永遠の時間ループに閉じ込められた量子粒子のシステムです。これは、実際の結晶内の原子の繰り返される空間パターンに少し似ています。

新しい時間結晶は、量子コンピュータが複雑なシステムをシミュレートする能力を実証しています。量子コンピュータの助けがなければ、新しい時間結晶は物理学者の理論の中にのみ存在するかもしれない。

量子コンピュータは物理学者に、自然界には存在しない物質の新しい状態を設計し研究するためのプラットフォームを提供します。

現在、量子コンピュータの開発はまだ初期段階にあります。しかし、それらが改良されるにつれて、物理学者は自然に対する根本的な理解を深めることができるようになるでしょう。

これは、ちょうど前世紀の物理学が今日の私たちの生活を形作るデジタル革命を可能にしたのと同じように、技術革新につながる可能性があります。

そして、タイムクリスタルは、この刺激的な取り組みの始まりに過ぎません。​