Kristal Waktu dalam Komputer Kuantum

Ada upaya global yang sangat besar untuk merekayasa komputer yang mampu memanfaatkan kekuatan fisika kuantum untuk melakukan perhitungan dengan kompleksitas yang belum pernah terjadi sebelumnya. Sementara hambatan teknologi yang tangguh masih menghalangi pembuatan komputer kuantum seperti itu, prototipe awal hari ini masih mampu melakukan prestasi luar biasa.

Misalnya, penciptaan fase materi baru yang disebut "kristal waktu". Sama seperti struktur kristal yang berulang di ruang angkasa, kristal waktu berulang dalam waktu dan, yang penting, melakukannya tanpa batas dan tanpa masukan energi lebih lanjut -- seperti jam yang berjalan selamanya tanpa baterai. Upaya untuk mewujudkan fase materi ini telah menjadi tantangan lama dalam teori dan eksperimen -- tantangan yang kini akhirnya membuahkan hasil.

Dalam penelitian yang diterbitkan 30 November di Nature, tim ilmuwan dari Stanford University, Google Quantum AI, the Max Planck Institute for Physics of Complex Systems dan Oxford University merinci pembuatan kristal waktu mereka menggunakan perangkat keras komputasi kuantum Sycamore Google.

"Gambaran besarnya adalah bahwa kami mengambil perangkat yang dimaksudkan untuk menjadi komputer kuantum masa depan dan menganggapnya sebagai sistem kuantum kompleks dalam hak mereka sendiri," kata Matteo Ippoliti, seorang sarjana postdoctoral di Stanford dan penulis pendamping pekerjaan. "Alih-alih komputasi, kami menempatkan komputer untuk bekerja sebagai platform eksperimental baru untuk menyadari dan mendeteksi fase materi baru."

Bagi tim, kegembiraan atas pencapaian mereka tidak hanya terletak pada penciptaan fase baru materi tetapi dalam membuka peluang untuk mengeksplorasi rezim baru di bidang fisika materi terkondensasi, yang mempelajari fenomena dan sifat baru yang dibawa oleh interaksi kolektif dari banyak objek dalam suatu sistem. (Interaksi semacam itu bisa jauh lebih kaya daripada properti objek individu.)

"Kristal waktu adalah contoh mencolok dari jenis baru fase kuantum non-keseimbangan materi," kata Vedika Khemani, asisten profesor fisika di Stanford dan penulis senior makalah tersebut. "Sementara sebagian besar pemahaman kita tentang fisika materi terkondensasi didasarkan pada sistem keseimbangan, perangkat kuantum baru ini memberi kita jendela yang menarik ke dalam rezim non-ekuilibrium baru dalam fisika banyak benda."

Apa Itu Kristal Waktu dan Bukan

Bahan dasar untuk membuat kristal waktu ini adalah sebagai berikut: Fisika yang setara dengan lalat buah dan sesuatu untuk menendangnya. Lalat buah fisika adalah model Ising, alat lama untuk memahami berbagai fenomena fisik -- termasuk transisi fase dan magnet -- yang terdiri dari kisi di mana setiap situs ditempati oleh partikel yang dapat berada di dua keadaan, direpresentasikan sebagai berputar ke atas atau ke bawah.

Selama tahun-tahun sekolah pascasarjananya, Khemani, penasihat doktornya Shivaji Sondhi, kemudian di Princeton University, dan Achilleas Lazarides dan Roderich Moessner di the Max Planck Institute for Physics of Complex Systems menemukan resep ini untuk membuat kristal waktu secara tidak sengaja. Mereka mempelajari sistem terlokalisasi banyak benda yang tidak seimbang -- sistem di mana partikel "terjebak" dalam keadaan di mana mereka mulai dan tidak pernah bisa bersantai ke keadaan setimbang. Mereka tertarik untuk mengeksplorasi fase yang mungkin berkembang dalam sistem seperti itu ketika mereka secara berkala "ditendang" oleh laser. Mereka tidak hanya berhasil menemukan fase non-ekuilibrium yang stabil, mereka juga menemukan fase di mana putaran partikel membalik di antara pola yang berulang dalam waktu selamanya, pada periode dua kali periode mengemudi laser, sehingga membuat kristal waktu.

Tendangan periodik laser membentuk ritme spesifik untuk dinamika. Biasanya "tarian" dari putaran harus disinkronkan dengan ritme ini, tetapi dalam kristal waktu tidak. Sebaliknya, putaran berputar di antara dua keadaan, menyelesaikan satu siklus hanya setelah ditendang oleh laser dua kali. Ini berarti bahwa "simetri translasi waktu" sistem rusak.

Simetri memainkan peran mendasar dalam fisika, dan mereka sering rusak -- menjelaskan asal usul kristal biasa, magnet, dan banyak fenomena lainnya; namun, simetri translasi waktu menonjol karena tidak seperti simetri lainnya, ia tidak dapat dipecah dalam kesetimbangan. Tendangan periodik adalah celah yang memungkinkan terjadinya kristal waktu.

Penggandaan periode osilasi tidak biasa, tetapi tidak pernah terjadi sebelumnya. Dan osilasi berumur panjang juga sangat umum dalam dinamika kuantum sistem beberapa partikel. Apa yang membuat kristal waktu unik adalah bahwa ia adalah sistem dari jutaan hal yang menunjukkan perilaku terpadu semacam ini tanpa energi yang masuk atau keluar.

"Ini adalah fase materi yang sepenuhnya kuat, di mana Anda tidak menyesuaikan parameter atau keadaan tetapi sistem Anda masih kuantum," kata Sondhi, profesor fisika di Oxford dan rekan penulis makalah tersebut. "Tidak ada pasokan energi, tidak ada energi yang terkuras, dan itu terus berlanjut selamanya dan melibatkan banyak partikel yang berinteraksi kuat."

Meskipun ini mungkin terdengar mencurigakan dekat dengan "mesin gerak abadi", pengamatan lebih dekat mengungkapkan bahwa kristal waktu tidak melanggar hukum fisika apa pun. Entropi - ukuran ketidakteraturan dalam sistem - tetap diam dari waktu ke waktu, sedikit memenuhi hukum kedua termodinamika dengan tidak menurun.

Di antara pengembangan rencana kristal waktu ini dan eksperimen komputer kuantum yang mewujudkannya, banyak eksperimen oleh banyak tim peneliti yang berbeda mencapai berbagai tonggak kristal hampir-waktu. Namun, menyediakan semua bahan dalam resep untuk "lokalisasi banyak benda" (fenomena yang memungkinkan kristal waktu yang sangat stabil) tetap menjadi tantangan yang luar biasa.

Untuk Khemani dan kolaboratornya, langkah terakhir menuju kesuksesan kristal waktu adalah bekerja dengan tim di Google Quantum AI. Bersama-sama, kelompok ini menggunakan perangkat keras komputasi kuantum Sycamore Google untuk memprogram 20 "putaran" menggunakan versi kuantum dari bit informasi komputer klasik, yang dikenal sebagai qubit.

Mengungkap seberapa kuat minat pada kristal waktu saat ini, kristal waktu lain diterbitkan di Science bulan ini. Kristal itu dibuat menggunakan qubit di dalam berlian oleh para peneliti di Delft University of Technology di Belanda.

Peluang Kuantum

Para peneliti dapat mengkonfirmasi klaim mereka tentang kristal waktu nyata berkat kemampuan khusus komputer kuantum. Meskipun ukuran dan waktu koherensi yang terbatas dari perangkat kuantum (tidak sempurna) berarti bahwa percobaan mereka terbatas dalam ukuran dan durasi - sehingga osilasi kristal waktu hanya dapat diamati selama beberapa ratus siklus daripada tanpa batas waktu - para peneliti merancang berbagai protokol untuk menilai stabilitas penciptaan mereka. Ini termasuk menjalankan simulasi maju dan mundur dalam waktu dan menskalakan ukurannya.

"Kami berhasil menggunakan keserbagunaan komputer kuantum untuk membantu kami menganalisis keterbatasannya sendiri," kata Moessner, rekan penulis makalah dan direktur di the Max Planck Institute for Physics of Complex. "Ini pada dasarnya memberi tahu kami bagaimana memperbaiki kesalahannya sendiri, sehingga sidik jari dari perilaku kristal waktu yang ideal dapat dipastikan dari pengamatan waktu yang terbatas."

Tanda kunci dari kristal waktu yang ideal adalah ia menunjukkan osilasi tak terbatas dari semua keadaan. Memverifikasi ketahanan terhadap pilihan status ini merupakan tantangan eksperimental utama, dan para peneliti merancang protokol untuk menyelidiki lebih dari satu juta status kristal waktu mereka hanya dalam satu kali pengoperasian mesin, yang hanya membutuhkan waktu proses milidetik. Ini seperti melihat kristal fisik dari banyak sudut untuk memverifikasi strukturnya yang berulang.

"Fitur unik dari prosesor kuantum kami adalah kemampuannya untuk menciptakan keadaan kuantum yang sangat kompleks," kata Xiao Mi, seorang peneliti di Google dan salah satu penulis utama makalah ini. "Keadaan ini memungkinkan struktur fase materi diverifikasi secara efektif tanpa perlu menyelidiki seluruh ruang komputasi -- tugas yang sulit diselesaikan."

Menciptakan fase baru materi tidak diragukan lagi menarik pada tingkat fundamental. Selain itu, fakta bahwa para peneliti ini mampu melakukannya menunjukkan peningkatan kegunaan komputer kuantum untuk aplikasi selain komputasi. "Saya optimis bahwa dengan qubit yang lebih banyak dan lebih baik, pendekatan kami dapat menjadi metode utama dalam mempelajari dinamika non-ekuilibrium," kata Pedram Roushan, peneliti di Google dan penulis senior makalah tersebut.

"Kami pikir penggunaan yang paling menarik untuk komputer kuantum saat ini adalah sebagai platform untuk fisika kuantum fundamental," kata Ippoliti. "Dengan kemampuan unik dari sistem ini, ada harapan bahwa Anda mungkin menemukan beberapa fenomena baru yang tidak Anda prediksi."

(Materials provided by Stanford University)

***
Solo, Sabtu, 4 Desember 2021. 5:35 am
'salam sehat penuh cinta'
Suko Waspodo
suka idea
antologi puisi suko