En forskargrupp har för första gången observerat en långlivad pretermal topologisk tidskristall med hjälp av programmerbara supraledande kvantbitar arrangerade på en tvådimensionell fyrkantsgitter. Upptäckten innebär ett genombrott i studier av ojämlika kvanttillstånd och dynamiska faser av materia, med särskild betydelse för topologisk ordning och dess robusthet mot lokala störningar.
Vad är en topologisk tidskristall?
Traditionella tidskristaller bryter den diskreta tidstranslationssymmetrin och uppvisar periodiska rörelser i lokala system. En topologisk tidskristall är emellertid fundamentalt annorlunda, där denna symmetribrott endast uppstår i icke-lokala logiska operatorer. Dessa system har topologisk ordning – en kvanttillståndsfas som kännetecknas av långdistans-entanglement och robusthet mot störningar.
Experiment och resultat
Forskarna använde en kvantprocessor med 18 supraledande transmonkvantbitar arrangerade i en tvådimensionell fyrkantsgitter. Med hjälp av en periodiskt driven ytkodmodell observerades:
- Subharmonisk oscillation: Icke-lokala logiska operatorer uppvisade stabila oscillationer med dubbel period (2T), vilket bekräftar brottet av diskret tidstranslationssymmetri.
- Topologisk entanglemententropi: Forskarna mätte den topologiska entanglemententropin (StopoS_{\text{topo}}), som visade icke-triviala värden och indikerade långdistans-entanglement.
- Robusthet: Experimenten visade att tidskristallens dynamik var robust mot små störningar, en egenskap som är karakteristisk för topologisk ordning.
Viktig teknik och metodik
- Periodisk drivning: Kvantbitarna drevs med en Hamiltonian som simulerade ytkodens fyra-kroppsinteraktioner, vilket möjliggjorde dynamisk topologisk ordning.
- Neuroevolutionsalgoritm: Algoritmen optimerade kvantkretsar för att simulera komplexa interaktioner med över 2300 enskilda och 1400 två-kvantsportar.
- Hög precision: Supraledande kvantbitar hade förbättrade koherenstider (T1≈163μsT_1 \approx 163 \mu s) och portfideliteter (>99,9% >99,9\%).
Topologisk entanglemententropi och robusthet
Forskarna undersökte de kvantmekaniska egenskaperna hos de Floquet-egentillstånd som bildades i systemet. Genom att dela in systemet i underregioner beräknades entropin enligt: Stopo=SA+SB−SAB.S_{\text{topo}} = S_A + S_B – S_{AB}.
Den uppmätta StopoS_{\text{topo}} bekräftade närvaron av en icke-trivial topologisk ordning.
Vid svaga störningar (B≤0,1B \leq 0,1) upprätthölls den subharmoniska dynamiken under hela experimentets tidsram (20 drivcykler). Vid starkare störningar (B≥3,0B \geq 3,0) förstördes dock ordningen snabbt.
Betydelse och framtida forskning
Den observerade topologiska tidskristallen representerar en ny fas av materia och öppnar för utforskning av fler dynamiska och topologiskt berikade kvanttillstånd. Med förbättrade kvantprocessorer kan framtida forskning studera:
- Icke-Abelska anyoner: Dynamiska kvanttillstånd med ovanliga partikelegenskaper.
- Långtidsbeteenden: Undersöka stabiliteten hos topologiska egenskaper över längre tidsperioder.
- Tillämpningar: Möjlig användning i felkorrigerade kvantdatorer och robust kvantinformationslagring.
Slutsats
Experimentet markerar ett genombrott i vår förståelse av kvantmekaniska faser, särskilt icke-lokala fenomen som topologiska tidskristaller. Den här tekniken kan revolutionera både grundläggande fysik och framtida kvantberäkningar.
Källa: Nature Communications, volym 15, artikel 8963, 2024.
Xiang, L., Jiang, W., Bao, Z. et al. Long-lived topological time-crystalline order on a quantum processor. Nat Commun 15, 8963 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53077-9