Новое моделирование кристалла времени показало его неожиданную устойчивость

Исследователи из IBM Quantum и Международного физического центра в Доностии (DIPC, Испания) опубликовали в журнале Nature Communications результаты моделирования дискретного кристалла времени (Discrete Time Crystal, DTC), выполненного на квантовом процессоре. Моделирование показало, что такая система значительно стабильнее, чем следовало из предыдущих теоретических расчётов.

Дискретный кристалл времени — это неравновесное состояние материи, при котором система, подвергаясь периодическому внешнему воздействию с одной частотой, откликается колебаниями с другой, кратной частотой, при этом не рассеивая энергию. В отличие от обычных кристаллов, в которых атомы образуют повторяющуюся структуру в пространстве, временной кристалл демонстрирует периодичность во времени.

Предыдущие исследования DTC опирались на упрощенные одномерные модели Изинга, в которых система подвергалась однократному изменению энергетического уровня. Команда IBM Quantum и DIPC перешла к двумерной модели Гейзенберга с более сложной решеткой и добавила периодическую подачу внешней энергии, что ближе к реальным термодинамическим процессам. Для вычислений использовались тензорные сети — математический аппарат, позволяющий обрабатывать большие массивы данных с высокой точностью.

Кубиты квантового процессора подчинялись той же физической динамике, что и теоретический кристалл времени, поэтому эксперимент представлял собой не математическую аппроксимацию, а физическую реализацию модели. При тестировании как эргодической, так и локализованной конфигурации системы добавление энергетических импульсов повышало устойчивость DTC. Кроме того, в модели Гейзенберга был обнаружен эффект «квантового пятна» — признак частичной когерентности частиц, которые двигались по совпадающим траекториям вместо ожидаемого хаотичного движения.

Авторы отметили, что гейзенберговские взаимодействия возникают в одномолекулярных магнитах, металлических цепочках и системах на основе квантовых точек, что делает полученные результаты применимыми и за пределами сверхпроводящих платформ.

Источник: Popular Mechanics