トポロジカルに順序付けされたタイムクリスタルを量子プロセッサに実装する

で発表された新しい研究では、 ネイチャーコミュニケーションズ、科学者は量子プロセッサ上にトポロジカルに順序付けされた時間結晶を初めて実装しました。

従来、結晶をトポロジカル秩序と組み合わせるのは困難であったため、これは量子技術の新時代を告げるものです。ただし、この組み合わせを実現すると、量子コンピューティング アプリケーションの要件であるシステムの安定性と堅牢性が向上します。

タイムクリスタルは科学への最近の導入であり、2012 年にノーベル賞受賞者のフランク ウィルチェックによって最初に提案されたアイデアです。これは、継続的な外部エネルギー源を必要とせずに、状態間を自然に振動できる量子システムです。

簡単に言うと、タイムクリスタルは、原子が空間ではなく時間的に周期的に配置されている一種の物質であり、通常のクリスタル（ダイヤモンドなど）と同様です。

システムは振動中、常に最低エネルギー状態、つまり地表レベルに留まります。タイムクリスタルは 2017 年に実験的に確認され、さまざまな量子技術に応用できる可能性があります。

結晶の動的な性質により、時間の経過とともにトポロジカルな秩序、つまりグローバルな秩序を達成することは困難な場合があります。研究チームは、トポロジカルに秩序化された時間結晶を実証することで、このギャップを埋めることを目指しました。

Phys.orgは、浙江大学のLiang Xiang博士、Wenjie Jiang博士、Zehang Bao博士、Qiijiang Guo助教授、Haohua Wang教授、清華大学のDong-Ling Deng准教授など、研究に携わった研究者らに話を聞いた。 。

トポロジカルに秩序化された時間結晶に生命を吹き込むプロセスについて、研究者らは「理論物理学者と実験チームの協力によって、この美しいプロジェクトが実現した。目標は、周期的に駆動されるシステムにおけるトポロジカル秩序の理解を進めることだ」と述べた。

時間の結晶のユニークさ

タイムクリスタルは、時間変換対称性の破れと呼ばれるものを示します。時間変換は、システムの状態が時間の経過とともに変化しないシステムの特性です。

タイムクリスタルの場合、タイムクリスタルは異なる状態間で周期的に振動するため、この対称性は破られます。タイムクリスタルのユニークな点は、エネルギーを散逸することなく、時間の経過とともに周期的な運動を示すことができることです。

ただし、自然保護法には違反しません。

最初の押しが与えられた後、システムは駆動力よりも低い周波数で振動を開始します。振動は多体相互作用により自立し、集合的な同期振動を生み出します。

平衡感覚が欠けているため、たとえ基底状態であっても、無限に動きを維持することができます。この対称性の破れは、時間結晶の独自性を引き出す非平衡物質の一形態です。

トポロジカルな順序

システムは、ローカルとグローバルの 2 種類のプロパティによって特徴付けることができます。

局所的特性とは、原子のスピンや磁気モーメントなど、系内の特定の環境または位置に依存する特性です。

一方、グローバル プロパティはシステム全体に依存します。これらのプロパティは、射程が短いローカル プロパティと比較して、射程が長いです。グローバルな特性の例としては、超伝導があります。

トポロジカルな秩序は、局所的な外乱やノイズによって記述されないシステムのグローバルな特性の一種です。これはシステム内の長距離のもつれの結果として発生します。つまり、システムのある部分の変化がシステムの別の部分に影響を与える可能性があることを意味します。

量子コンピューターは、環境からのエラーやノイズの影響を非常に受けやすくなります。これらはシステムと相互作用し、一貫性の喪失につながる可能性があります。これは、システムが量子システムの中核機能である重ね合わせともつれを維持できなくなったことを意味します。

トポロジカル秩序は局所的な外乱に対して安定しているため、トポロジカル量子コンピューティングにとって興味深いものです。

タイムクリスタルにトポロジー的秩序を導入する際の課題は、その動的な性質です。トポロジカルな秩序には安定性と平衡状態が必要ですが、この状態では結晶は現れません。

プログラム可能な超伝導量子ビット

研究者らは、二次元正方格子に配置された 18 個のプログラム可能な超伝導トランスモン量子ビットを使用してプロセッサをセットアップしました。これらの量子ビットは他の量子ビットよりも安定しています。

正方格子は量子ビットの相互作用を促進し、量子アルゴリズムとエラー修正 (ノイズ低減) に必要なもつれの生成に役立ちます。

研究者らは、セットアップの重要な特徴であるサーフェス コードを強調しました。

「表面コードは、量子誤り訂正で最も成功したモデルの 1 つであるだけでなく、エキゾチックなトポロジカルに順序付けられた位相もサポートしています。浙江大学の実験チームが開発した量子プロセッサは、自然に表面コード モデルに適合しました。」

「これは、これらのとらえどころのないトポロジカルに秩序化された状態を探索し、その境界を平衡系から非平衡系に拡張する可能性があるための理想的なテストベッドになります」と研究者らは説明した。

同社のプロセッサは 700 の回路層の深さを持ち、2,300 個の単一量子ビット ゲートと 1,400 個の 2 量子ビット ゲートを実行できます。これは、大規模で複雑な計算を処理できることを示しています。

このプラットフォームは、複雑なシステムのモデリングに必要な 4 体の相互作用をシミュレートすることもできます。さらに、神経進化アルゴリズムを使用して、計算の効率と有効性を向上できる量子回路の最適な構成を見つけました。

研究者らはさらに、「長寿命のトポロジカル時間結晶ダイナミクスを観察するという厳しい要件を満たすために、最先端のゲート忠実度と量子ビットを備えたプロセッサのパフォーマンスを向上させるために多大な努力を払ってきました」と付け加えた。今はコヒーレンスタイムです。」

堅牢で安定したトポロジカル時間結晶秩序

研究者らは、このシステムがノイズに対処している場合でも、駆動力の分数周波数で安定した動作を維持できることを発見し、その安定性を実証しました。システムは妨害を受けた後も不要な発振を起こすことなく安定しました。

また、システムは小さな変動でも安定した状態を維持したため、騒音の多い環境でも機能することができました。より強い外乱に直面すると、システムはタイムクリスタルのような動作を失います。

研究チームは、このシステムの位相的もつれが理論的予測によるものと一致することを発見し、その特性が堅牢で明確に定義されていることを示唆しています。

四体量子ビット相互作用の場合、システムは相互作用を高精度で正常に測定できました。このシステムは、周期的に駆動される量子状態を作成および検証して、その時間周期的な動作をサポートすることもできます。

研究者らは自分たちのシステムの可能性についてコメントし、「システムのサイズ、制御精度、コヒーレンス時間の拡大により、超伝導プロセッサーにより科学者はアクセスできない物質のよりエキゾチックな非平衡相を探索できるようになると信じている」と述べた。天然素材で。」

彼らはまた、彼らの実験により、動的なanyon置換と創発的な非アーベルanyonをホストするFloquetに富んだトポロジカル秩序を実装するために必要なすべての構成要素が実証されたとも述べています。

「このような型破りな現象の観察は、エキゾチックな非平衡相についての理解を深める上で重要な一歩となるだろう」と研究者らは述べた。

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