영구 운동 기계는 적어도 일상 세계에서는 불가능합니다. 그러나 양자 역학 수준에서는 열역학 법칙이 항상 같은 방식으로 적용되지는 않습니다. 2021년, 물리학자들은 수년간의 노력 끝에 에너지 투입 없이 안정적이고 끊임없이 변화하는 새로운 물질 상태인 '시간 결정체'의 실재성을 성공적으로 입증했습니다. 이 에피소드에서 Steven Strogatz는 이론 물리학자와 함께 시간 결정과 그 중요성에 대해 논의합니다. 베디카 케마니 가능하다는 것을 공동 발견한 다음 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 하나를 만드는 데 도움을 준 스탠포드 대학의

들어 봐 Apple Podcasts, 스포티 파이, Google 포드 캐스트, 스티, TuneIn 또는 좋아하는 팟캐스트 앱, 또는 스트리밍 콴타.

성적 증명서

스티븐 스트로 가츠 (00:00): 안녕하세요, 저는 Steve Strogatz입니다. 이유의 기쁨, 팟캐스트 Quanta Magazine 오늘날 수학과 과학에서 답이 없는 가장 큰 질문으로 안내합니다. 이번 에피소드에서는 시간 결정체에 대해 이야기하겠습니다. 그들은 무엇인가? 음, 영구 운동 기계에 대해 들어 본 적이 있습니까? 불가능하다는 말을 들었습니까? 예, 마찰 때문에 우리가 살고 있는 세상에서는 불가능합니다. 그러나 양자 세계에서는 모든 것이 불가능합니다.

(00:32) 그렇다면 앞뒤로, 앞뒤로 영원히 계속 변하는 물질의 상태를 만들기 위해 양자 현상을 가지고 놀 수 있는 방법이 있을까요? 음, 오늘 제 손님은 이론적으로 타임 크리스탈을 발견하고 실험적으로 실현하도록 도왔습니다. 양자 컴퓨터에서. 이론물리학자 베디카 케마니(Vedika Khemani)는 스탠퍼드대학교 물리학과 조교수다. 2021년에는 그녀는 받았다 시간 결정을 포함한 비평형 양자 물질에 ​​대한 연구로 Breakthrough Prize Foundation으로부터 New Horizons in Physics Prize를 수상했습니다. 그녀는 저와 함께 크리스탈이 어떤 시간인지, 양자 샌드박스에서 가능한 것에 대한 이해를 어떻게 확장하는지, 그리고 이 모든 것이 열역학 제XNUMX법칙과 일치하는지 설명합니다. 환영합니다, Vedika Khemani 교수.

베디카 케마니 (01:26): 감사합니다, 스티브. 여기 있는 것이 좋습니다. 그리고 저를 초대해주셔서 감사합니다.

스트로가츠 (01:29): 천만에요. 당신과 이야기하게 되어 정말 기쁩니다. 나는 당신의 작품이 훌륭하다고 생각합니다. 그리고 그것에 대해 더 듣고 싶습니다. 그래서 영구 운동 기계를 언급하는 것은 모든 과학 쇼에서 재앙으로의 초대입니다. 실제로 그것을 믿지 않는 모든 종류의 이유가 있기 때문입니다. 따라서 양자 영역에서의 가능성 또는 불가능성에 대해 이야기하기 전에 결정으로 시작하는 것이 어떻습니까? 아시다시피, 사람들은 시내의 어떤 상점에서 크리스탈을 보았거나 생각합니다... 음, 말해 보세요. 뭐, 물리학자에게 크리스탈이란?

케마니 (02:06): 예, 상점에서 크리스탈을 볼 때 탁자 위에 아름다운 자수정 크리스탈, 다이아몬드 또는 암염을 볼 수 있습니다. 그러나 물리학자에게 결정은 대칭과 부서짐이라는 측면에서 정의됩니다. 그리고 이것은 우리가 물질의 위상에 대해 생각하는 근본적인 아이디어입니다.

(02:25) 따라서 물질의 위상은 고체, 액체 및 기체와 같은 위상에 익숙할 수 있습니다. 물질의 위상은 종종 대칭의 관점에서 설명됩니다. 따라서 자연의 근본적인 대칭 중 하나는 공간에서의 병진 대칭입니다. 좋습니다. 이것은 물리 법칙이 동일하게 보인다는 것을 의미합니다. 맞습니까? 그래서 제가 여기 스탠퍼드에서 실험을 한 다음 코넬에서 실험을 반복하면 동일한 결과를 얻을 수 있기를 바랍니다. 나는 얼마든지 번역할 수 있고 물리 법칙은 동일할 것입니다. 반면에 결정이 어떻게 배열되어 있는지 보면 결정이 모든 곳에서 동일하게 보이지 않기 때문에 자발적으로 이 병진 대칭이 깨집니다. 대신 여러분이 보시는 것은 공간으로 분리된 주기적인 원자 배열입니다. 원자가 있고 공간이 있고 원자가 있습니다. 그리고 이것은 영원히 계속됩니다.

(03:23) 좋습니다. 원자와 공간 사이에 이러한 분리가 있다는 점을 감안할 때 이 결정은 자발적으로 연속적인 평행 이동 대칭을 깨고 이러한 방식으로 배열됩니다.

스트로가츠 (03:37): 우주에서 대칭을 깨는 것까지 생각해보니… 우주와 원자에 대해 이야기할 때 떠오른 이미지는 좀 더 일상적인 수준과 같았습니다. 내가 계단을 오르고 있다면 계단 사이에 공간이 있고 계단의 층계참에 있을 때 나는 특별한 장소에 있고 그것은 걷는 것과는 반대로 다음 층계참과 같습니다. 경사로에서 모든 지점이 다른 모든 지점과 거의 동일한 경사로를 올라갑니다. 그래서 그것은 – 경사로와 계단의 차이는 나에게 연속 대칭의 차이처럼 느껴지고 – 그것은 경사로와 같습니다 – 이산 대칭은 계단과 더 비슷할 것입니다. 아니면 크리스털, 내 말이 맞다면.

케마니 (04:17): 네, 맞습니다. 그리고 아시다시피 결정은 일반적으로 얼음과 같은 고체상입니다. 얼음은 수정입니다. 반면에 액체 또는 기체 상태는 이러한 상태에서 모든 곳에서 동일하게 보입니다. 그들은 번역 대칭을 깨뜨리지 않습니다. 통계적 의미에서 적은 양의 물을 볼 수 있으며 어떤 양을 선택하든 항상 동일하게 보입니다. 그래서 우리는 액체와 고체 또는 물과 얼음이 서로 다른 두 단계의 물질에 있다고 말합니다. 왜냐하면 하나는 자연의 평행이동 대칭을 존중하고 다른 하나는 그렇지 않기 때문입니다. 다른 하나는 자발적으로 그것을 깨뜨립니다.

스트로가츠 (04:55): 좋습니다. 이제 크리스탈이 무엇인지 더 잘 이해했으므로 시간 크리스탈은 무엇입니까?

케마니 (05:00): 우리가 공간에서의 병진 대칭에 대해 이야기한 것처럼 똑같이 근본적인 것은 시간에서의 병진 대칭입니다. 즉, 오늘이나 내일이나 모레 실험을 해도 같은 답을 얻어야 합니다. 하지만 공간과 시간은 같지 않습니다. 왜냐하면 공간에서는 쉽게 앞뒤로 이동할 수 있지만 시간에서는 확실히 앞뒤로 갈 수 없기 때문입니다. 그리고 그 이유는 아시다시피... 공간과 시간이 다르고 시스템이 이러한 엔트로피 최대화 평형 상태를 향해 진화하는 경향이 있기 때문입니다. 평형 설정에서는 시간 수정을 얻을 수 없습니다.

(05:46) 좋습니다. 이 작업에 대한 최근의 관점은 근본적으로 균형이 맞지 않는 양자 시스템에 대해 생각해 온 매우 다른 물리학 분야에서 나온 것입니다. 그리고 그것은 시간 결정체에 대해 제가 매우 흥미롭게 생각하는 것 중 하나입니다. 이것이 평형을 벗어난 양자 위상의 예화라는 것입니다. 따라서 시간 수정은 시간에 따라 이 변환 대칭을 자발적으로 깨뜨리는 물질의 위상으로, 일종의 주기적이고 영원히 맥동하는 것을 보여줍니다. 그래서 여러분에게 어떤 종류의 주기적인 시간 의존성을 영원히 보여드리겠습니다. 시스템에서 시계의 출현과 같습니다. 그러나 중요한 것은 이것이 자발적으로 일어나야 한다는 것입니다. 즉, 에너지를 공급하거나 에너지를 소모하지 않아야 합니다. 알다시피 배터리로 작동되는 시계는 우리 주변 어디에나 있기 때문에 Amazon에서 구입할 수 있습니다.

스트로가츠 (06:42): 알겠습니다. 좋습니다. 당신이 그 문제를 제기하게 되어 기쁩니다. 내가, 내가 좀 이상하게 여겼기 때문에, 당신은 계속 "자발적으로"라고 말합니다. 다시 들어봅시다. "자발적으로"는 어떤 배터리나 다른 에너지원으로 인해 작동하도록 유발되거나 구동되는 것과는 반대입니다.

케마니: 정확히, 정확히.

스트로가츠 (06:59): 알겠습니다. 그래서 타임 크리스탈에서 배터리가 필요하거나 벽에 꽂아야 하는 시계와 달리 타임 크리스탈은 앞뒤로 왔다 갔다 하거나 시계처럼 변화하는 것이 될 것입니다. 에너지원?

케마니 (07:15): 맞습니다. 응. 따라서 시스템에는 순 에너지 입력이 없으며 자발적으로, 자체적으로 이러한 종류의 주기적인 움직임을 영원히 보여줄 수 있어야 합니다.

스트로가츠 (07:27): 공상과학 소설 같군요.

케마니 (07:29): 예, 제 말은, 일단 파고들면 공상 과학 소설이 아니라 정말 과학이지만 꽤 멋집니다. 응.

스트로가츠 (07:36): 믿기 어렵네요. 아시다시피, 우리는 앞뒤로 흔들리는 진자를 기반으로 하는 괘종시계를 가지고 있는 사람과 같은 것을 생각하는 데 너무 익숙합니다. 잠시 동안은 꽤 잘 작동하지만 괘종시계의 추시계 안으로 들어가면 점점 낮아지기 시작하는 무게가 있습니다. 그리고 일주일이 지나면 그것들은 바닥에 있고 다시 들어 올려야 합니다. 시계가 계속 작동하도록 에너지원을 넣는 것과 같습니다. 다른 점은 예를 들면 시간 수정이 어떻게 그것을 피할 수 있습니까?

케마니 (08:06): 훌륭합니다. 훌륭한 질문입니다. Steve. 따라서 열역학 제XNUMX법칙과 열역학 제XNUMX법칙이 시간 결정이나 영구 운동 기계가 불가능하다고 말하는 이유를 이해하기 위해 간단한 진자만 사용할 수 있습니다. 그리고 실제로 이것은 수세기 동안 받아들여진 지혜였습니다. 그리고 우리가 시간 수정을 볼 수 있게 한 최근의 발전은 이러한 열역학 법칙이 적용되지 않는 물리학의 한 구석에서 나온 것입니다. 그래서 우리는 나중에 그것을 얻을 것입니다.

(08:38) 하지만 다시 진자로 돌아갑시다. 그리고 진자에 대해 말씀하신 것처럼 에너지원이 필요합니다. 그렇죠? 뭔가 필요합니다. 되감아야합니다. 그리고 그 간단한 이유 중 하나는 마찰입니다. 좋습니다. 진자가 흔들리고 있고 볼 베어링에 마찰이 있어서 에너지가 소실됩니다. 하지만 잠시 이론물리학자가 되어 마찰이 없다고 말하는 이상화된 세계에 살자. 그리고 우리는 진자를 마찰이 없는 완벽한 진공 용기에 넣었습니다. 아시다시피 우리는 이상적인 환경에서 작업함으로써 열역학 제XNUMX법칙이나 마찰로 인한 에너지 손실을 피할 수 있습니다. 하지만 그럼에도 불구하고 우리는 시스템이 엔트로피를 최대화하는 평형 상태로 완화된다는 열역학 제XNUMX법칙과 씨름해야 합니다.

(09:34) 자, 이것이 진자에 대해 의미하는 바는 진자를 하나의 단일 입자로 생각한다면... 따라서 어떤 끈 끝에 있는 하나의 입자를 움직이게 할 수 있고 그것을 붙인다면 실제로 마찰이 없는 환경에서는 영원히 지속될 수 있습니다. 그러나 실제 진자 추는 많은 원자를 가진 다체 시스템이며 영원히 흔들릴 수 있는 진자에 대한 질량 중심 모드가 있습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 에너지는 질량 중심 모드에서 진자 추를 구성하는 모든 원자의 다른 수많은 내부 모드로 재분배됩니다. 그리고 결국, 재분배 운동은 진자를 이 엔트로피 최대화 평형 상태에서 멈추게 합니다.

스트로가츠 (10:25): 그래서 내가 당신을 이해한다면, 당신은 내가 강철로 만들어진 것과 같은 막대가 있고 막대 끝에 무거운 공이 있다고 말하는 것입니다. 나는 진자의 팔 상단에 완벽한 베어링을 가지고 있어서 그 베어링에서 스윙할 때 어떤 마찰도 받지 않았습니다. 내가 당신의 말을 듣는다면, 당신은 시간이 지남에 따라 추의 흔들림으로 인해 철이나 강철 막대가 내부적으로 일종의 원자로 만들어졌다고 말하면서 원자가 흔들리기 시작할 것이라고 말하는 것입니다. 육안으로는 감지할 수 없는 것처럼 보이지만 서스펜션 로드에 어떤 종류의 흔들림이나 가열 또는 어떤 일이 발생하여 시간이 지남에 따라 완벽한 베어링을 사용하더라도 진자가 축축해지게 됩니다.

케마니 (11:11): 맞습니다. 그리고 서스펜션 막대가 없지만 눈에 보이지 않는 완벽한 끈이 있더라도 밥 자체에는 아주 많은 원자가 있을 것입니다.

스트로가츠 (11:21): 아, 밥, 알았어, 친구. 이 두 번째 법칙을 우회하는 것은 정말 어렵습니다.

케마니: 바로 그거죠.

스트로가츠 (11:27): 네. 그래서 제가 여기에서 여러분과 함께 무언가를 시도해 보도록 하겠습니다. 좀 어리석은 일이지만... 제가 상상해 보려고 합니다. 아시다시피... 시간의 연속 대칭 또는 시간의 불연속 대칭에 대해 언급하셨습니다. 우리를 위해 노래를 부를 수 있는 방법이 있나요? 예를 들어, 연속 대칭은 어떤 소리일까요? 불연속 대칭은 어떻게 들릴까요?

케마니 (11:45): 알겠습니다. 따라서 연속 대칭은 끊임없는 윙윙거리는 소리일 뿐입니다. 음. 이산 대칭은 삐삐삐삐삐삐삐. 그래서 주기적으로 영원히 반복됩니다. 이제 실제로 시간 결정체입니다. 우리가 깨달은 시간 결정체는 실제로 연속적인 평행이동 대칭을 깨뜨리지 않고 불연속 평행이동 대칭을 더 깨뜨립니다. 즉, 우리가 시작한 방정식인 시스템은 이미 삐삐삐삐삐삐삐. 그때 타임 크리스탈이 들어와 비밥 비밥 비밥 비밥. 그래서 우리의 방정식이 매 초마다 반복되고 있었지만 이제 타임 크리스탈은 매 XNUMX초마다 반복되고 있습니다. 좋아요? 그래서 그것은 이산 대칭을 더 작은 이산 대칭으로 깨뜨립니다.

스트로가츠 (12:43): 알겠습니다. 그리고 거기에 – 내 말은, 일종의 재즈 선율처럼 들립니다. 하지만 물리학자에게 그것이 주목할만한 이유가 궁금합니다. 예를 들어, 왜 그런가요? 왜냐하면 그것은 일종의 큰 문제이기 때문입니다. 당신과 당신의 동료들은 그것들을 실험적으로 실현했습니다. 당신에게 흥미로운 점은 무엇입니까?

케마니 (13:01): 저에게 정말 흥미로운 점은 시간 수정이 물질의 비평형 위상의 새로운 예라는 것입니다. 좋아요, 저는 다물체 물리학자입니다. 저는 많고 많은 입자를 가진 시스템의 창발 현상을 연구합니다. 그리고 이것은 매우 풍요로운 놀이터였습니다. 단일 원자에 대한 물질의 단계에 대해 말할 수 없습니다. 단일 물 분자가 액체 상태인지 고체 상태인지 구분하는 것은 불가능합니다. 그러나 수십억 개의 원자(많은 입자)를 결합하면 친숙한 고체, 액체 및 기체에서 반도체 및 초전도체와 같은 훨씬 더 이국적인 것에 이르기까지 모든 종류의 새로운 창발 현상을 얻을 수 있습니다.

(13:51) 그리고 지난 수십 년 동안 양자 물리학의 대부분은 많은 강력하게 상호 작용하는 양자 입자 시스템이 표시할 수 있는 모든 이색적이고 놀라운 속성에 대해 생각하는 데 사용되었습니다. 하지만 이 모든 이해는 근본적으로 평형 열역학 법칙에 의존합니다. 그 이유는 수십억 개의 입자로 구성된 시스템을 설명하기가 정말 정말 어렵기 때문입니다. 그것들은 양자 역학에 뭔가가 있고, 양자 상태는 힐베르트 공간으로 알려진 곳에 존재하며, 힐베르트 공간은 기하급수적으로 큽니다. 단 하나의 입자의 상태가 있을 수 있다고 생각한다면 간단히 단순화하여 위 또는 아래, 머리 또는 꼬리의 두 가지 상태 중 하나일 수 있다고 가정해 보겠습니다.

(14:44) 이제 두 개의 입자를 살펴보겠습니다. 이제 XNUMX개의 주가 있습니다. XNUMX개의 입자를 보세요. XNUMX개가 있습니다. 그리고 이 숫자는 천문학적으로 빠르게 증가합니다. 그래서 많고 많은 입자로 구성된 시스템을 설명할 때 모든 개별 입자를 추적하는 것은 가망이 없습니다. 대신, 우리가 하는 일은 이러한 다입자 시스템의 거시적 통계적 설명에 의존하는 것입니다. 따라서 온도, 밀도와 같은 것에 대해 말할 수 있고 이러한 거시적 변수를 사용하여 양자 상태를 특성화합니다. 그런 다음 그 관점에서 — 그러면 몇 가지 거시적 변수로 정의된 평형 상태를 취하고 물질의 단계에 대해 이야기할 수 있습니다. 자, 이것은 지난 수십 년 동안 프로그램이었습니다. 하지만 아시다시피 평형은 가능한 모든 것의 아주 작은 구석에 불과합니다. 그렇죠? 주변 세계를 생각하면 균형이 맞지 않습니다. 오른쪽?

(15:44) 따라서 평형 상태에 대해 생각하는 것은 양자 역학 시스템에 대한 설명에서 가능한 작은 부분입니다. 그리고 이제 처음으로 우리는 실험적으로나 이론적으로 양자 물질의 비평형 상태에 대해 생각하는 방법에 대한 창을 갖게 되었습니다. 그리고 이러한 비평형 환경에서는 우리가 그토록 광범위하게 의존했던 열역학 법칙이 그냥 적용하지마세요.

스트로가츠 (16:20): 아마도, 글쎄요, 합시다… 우리가 그것에 들어가기 전에, 왜냐하면 당신은 "평형"을 계속 언급하기 때문입니다. 일상적인 대화에서 사용되는 단어입니다. 사람들은 알다시피, “나는 평형 상태에 있습니다. 나는 움직이지 않고 균형을 잡고 있습니다.” 그러나 균형을 말할 때 무엇을 의미합니까? 많은 입자 또는 많은 신체 시스템에 대해 계속 이야기하기 때문입니다. 그래서, 일종의 간단한 용어로, 평형 상태에 있다는 것은 무엇을 의미합니까? 또는 균형이 맞지 않는다는 것은 무엇을 의미합니까?

케마니 (16:47): 평형이란 시스템의 특정 통계적 거시적 속성이 미시적으로도 시간이 지남에 따라 변하지 않는다는 것을 의미합니다.

스트로가츠 (17:01): 좋아, 내 방의 공기가 유지되는 스튜디오에 여기 앉아 있는 것처럼, 그건… 온도는 동일하게 유지되지만 개별 공기 분자는 실내에서 빠르게 움직입니다.

케마니 (17:15): 맞습니다. 여러분이 장벽을 만들었다고 상상해보세요. 모든 공기 분자를 분홍색으로 칠하고 한 분자를 선택하여 검정색으로 칠했다고 가정합니다. 그리고 모든 분자가 방의 절반에서 시작되도록 장벽으로 시작한다고 가정해 봅시다. 그런 다음 장벽을 해제하고 조금 기다렸습니다. 그런 다음 매우 빠르게 이러한 분자의 밀도는 모든 곳에서 통계적으로 균일하게 보입니다. 하지만 검은색의 추적자 분자 하나를 취하려고 하면 여전히 미친 듯이 돌아다닙니다, 그렇죠? 그래서 여러분이 그 분자 하나를 추적하려고 한다면 그것은 결코 평형 상태에 있지 않습니다.

스트로가츠: 확인.

케마니 (17:57): 하지만 공간의 한 영역에 있는 분자 밀도와 같은 것을 추적하려는 경우 초기 과도 현상이 나타난 다음 거의 평형 상태로 정착됩니다. 오른쪽.

스트로가츠 (18:10): 네. 그리고 공공장소에서 흡연이 허용되었던 시절부터 사람들은 이것을 알고 있다고 생각합니다. 저기 누군가가 연기를 내뿜는 것처럼. 그런 다음 충분히 오래 기다렸다가 그들과 함께 비행기에 갇힌 것처럼 연기가 방 전체로 퍼지고 결국에는 — 이제 그들이 담배를 끊었다고 가정해 보겠습니다 — 방 전체처럼 연기 입자로 균일하게 채워지고 어떤 기둥이나 구조도 알아차리지 못할 것입니다. 응. 좋아요. 이러한 조건에서 사물은 일종의 평형에 도달합니다. 만약 그것들이 닫혀 있고 들어오고 나가는 에너지가 없다면, 예, 좋습니다. 그렇다면 "평형에서 벗어난" 모습은 어떤 것일까요?

케마니 (18:50): "균형을 벗어났다"는 것은 충격적으로 방의 오른쪽 절반에 공기를 모두 넣은 상태에서 다시 시작하고 장벽을 들어 올렸다고 가정하는 것입니다. 그리고 기다리고 기다리고 또 기다리고 또 기다렸다가 돌아와서 여전히 대부분의 공기가 방의 왼쪽 절반에 갇혀 있음을 발견했습니다. .

스트로가츠 (19:13): 즉, 이상한 이미지입니다.

케마니 (19:16): 네. 그래서 그것은 미친 소리. 그러나 양자 원자의 실제 시스템에서, 양자 환경에서 이것은 다체 국소화로 알려진 현상입니다. 현지화는 단지 일이 막히는 것을 의미합니다.

(19:30) 알겠습니다. 그래서 이 실험은 실제로 독일에 있는 실험 그룹의 실험실에서 이루어졌습니다. 그곳에서 모든 원자가 트랩의 왼쪽 절반에 있는 원자 트랩을 준비한 다음 오랜 시간 동안 기다렸습니다. 허용할 것이고, 그런 다음 그들은 돌아왔고 원자는 트랩의 왼쪽 절반에 우선적으로 남아 있었습니다.

(19:56) 그래서 양자 설정에서 우리는 이것이 가능성이라는 것을 이제 압니다. 그리고 이것이 열역학 제XNUMX법칙을 완전히 우회하는 이유는 — 저는 "파괴한다"고 말하고 싶지 않습니다. 단지 열역학 법칙이 적용되지 않는 설정일 뿐입니다. 그리고 그것은 열역학 제XNUMX법칙이 시스템이 엔트로피를 최대화하는 평형 상태에 도달한다고 알려주기 때문입니다. 따라서 엔트로피 최대화는 갈 수 있는 모든 곳으로 갈 것임을 의미합니다. 좋아요?

(20:28) 따라서 사용 가능한 모든 항목을 탐색합니다. 하지만 제가 말씀드린 설정에서 왼쪽 절반에 있는 원자로 시작해서 왼쪽 절반에 남아 있으면 분명히 사용 가능한 모든 공간을 탐색하지 않는 것입니다. 오른쪽 절반 맞죠?

스트로가츠: 예.

케마니 (20:47): 그래서 우리는 평형에서 벗어날 수 있는 양자 시스템에 대해 이야기하고 있습니다. 이는 평형 열역학 법칙에 의해 제한되는 물질의 위상에 대해 생각하는 방법에 대한 우리의 모든 일반적인 개념을 재검토해야 함을 의미합니다. 정말 흥미로운 것은 우리가 이 새로운 평형을 벗어난 양자 설정에서 얻을 수 있는 모든 것의 전체 우주가 완전히 열려 있다는 것입니다. 따라서 시간 결정체는 빙산의 일각에 불과합니다. 그리고 저는 이것이 일종의 새로운 균형을 벗어난 현상의 매우 놀라운 예 중 하나라고 생각합니다. 하지만 정말로 저에게 흥미로운 것은 저 밖에 또 무엇이 있다는 것입니다. 우리가 알고 있다고 생각했던 모든 것을 이제 다시 상상할 수 있습니다.

스트로가츠 (21:35): 당신이 설명하고 있는 이러한 놀라운 가능성, 어떻게든 평형에서 멀리 떨어져 있는 이러한 양자 다체 시스템의 경우, 우리 집에서 본 적이 있는지 모르겠습니다. 자연계에서 일어나는 일입니까?

케마니 (21:50): 아니, 아니. 그래서 다이아몬드나 암염과는 달리 시간 결정체를 채굴할 수 없습니다. 이것들은 고도로 설계된 양자 시스템에 존재하는 현상입니다. 영원히 균형을 벗어난 상태로 남아 있는 양자 시스템에 대한 이러한 많은 이론적 발전은 부분적으로 일관성 있고 제어 가능한 양자 시스템을 구축하는 실험적 발전으로 인해 동기가 부여되었습니다.

스트로가츠 (22:23): 양자 컴퓨팅에 대해 말하려는 것처럼 들리는데, 사람들이 수십 년 동안 이야기해 온 것을 구축하기 위해 중국, 미국, 유럽 등 전 세계에서 경쟁이 벌어지고 있습니다. 새로운 종류의 컴퓨터에서 양자 역학을 사용하는 것입니다. 이것이 당신이 말하는 것처럼 들리는 하드웨어입니다.

케마니 (22:41): 네, 맞습니다. 실제로 이러한 많은 노력은 양자 컴퓨터를 구축하려는 노력에 동기가 부여되었습니다. 우리는 지금 거기에서 아주 아주 멀리 떨어져 있습니다. 그리고 우리가 궁극적으로 거기에 도달하든 그렇지 않든, 이 새로운 시스템, 전 세계 실험실에서 구축한 이 새로운 플랫폼은 다물리 물리학을 위한 새로운 유형의 실험으로서 이미 놀랍습니다.

스트로가츠 (23:03): 밑줄을 긋고 싶습니다. 나는 당신을 끊고 싶지 않습니다. 하지만 저는 당신이 방금 말한 것이 정말 멋진 것이라고 생각합니다. 청취자들이 그 말을 확실히 들었으면 합니다. 사람들은 양자 컴퓨팅에 대한 모든 과대 광고를 들었고 그것이 어떻게 인터넷에서 우리의 암호화를 깨뜨리거나 이것이 될 것인지 저것이 ​​될 것인지를 들었기 때문입니다. 좋아요, 우리는 그것이 사실일 수도 있고 아닐 수도 있다는 것을 알게 될 것입니다. 그러나 우리는 당신이 말했듯이 그것과는 거리가 멉니다.

케마니: 맞습니다.

스트로가츠 (23:25): 하지만 우리가 가지고 있는 것은 언젠가 우리에게 양자 컴퓨터를 제공할 수 있는 이러한 양자 플랫폼이라고 불렀던 것입니다. 하지만 지금은 매우 흥미로운 실험을 수행할 수 있는 새로운 양자 놀이터 또는 샌드박스를 제공하고 있습니다. 이상한 새로운 물리적 현상을 참조하십시오.

케마니 (23:40): 맞습니다. 그리고 이 새로운 실험을 통해 우리는 우리가 접근할 수 있었던 실험과 매우 다른 방식으로 양자 물질을 조사할 수 있습니다. 과거에는 실험이 거의 평형 현상을 조사하도록 설계되었습니다. 몇 가지 샘플로 시작합니다. 일부 리드를 연결합니다. 리드의 온도가 약간 다를 수 있습니다. 샘플을 통해 약간의 전류가 흐르는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 이러한 새로운 유형의 양자 실험은 특히 평형을 벗어난 체제에서 양자 시스템의 완전히 새로운 새로운 체제에 대한 액세스를 제공합니다. 또한 이러한 종류의 양자 플랫폼에 대한 새로운 유형의 프로브를 허용하고 있습니다. 그래서 저에게 정말 흥미로운 것은 양자 물질이 존재할 수 있는 새로운 체제에 대해 질문할 수 있는 새로운 실험이 있다는 것입니다.

스트로가츠 (24:34): 그래서 당신은 이것에 대해 몇몇 사람들과 협력했습니다. 제 말은, 연구실에 우리가 말하는 양자 플랫폼이 없다는 뜻입니다.

케마니 (24:42): 아니요, 아니요, 저는 이론의 땅에 있습니다.

스트로가츠 (24:45): 알겠습니다. 당신은 이론가입니다. 괜찮은. 실험실도 없는 것 같습니다.

케마니: 예.

스트로가츠 (24:49): 그런데 누구와 작업했습니까? 어떤 그룹?

케마니 (24:52): 그래서 Google 팀과 협력했습니다. 따라서 Google은 이러한 양자 장치를 구축하려는 노력의 리더 중 하나였습니다. 그리고 특히 그들은 Sycamore 칩이라는 칩을 가지고 있습니다. 그래서 우리는 그들의 팀과 협력하여 제어 가능한 양자 플랫폼을 사용하여 이번에는 결정상을 실현.

스트로가츠 (25:12): 어허. 그렇다면 재료는 무엇입니까? 타임 크리스탈에서 Google의 Sycamore 칩을 언급하셨습니다. 충분합니까? 다른 구성 요소가 필요합니까?

케마니 (25:25): Sycamore 칩으로 무엇을 할 수 있습니까? 그래서 지금 우리는 이 양자 플랫폼을 양자 시뮬레이터로 생각하고 있습니다. 자, 이 칩은 양자 컴퓨터를 만들려고 할 때 큐비트 시스템을 실현할 수 있게 해줍니다. 자, 먼저 큐비트가 무엇입니까? 고전적인 컴퓨터에는 XNUMX과 XNUMX인 비트가 있다는 것을 알고 있습니다. 그리고 기본적으로 모든 계산은 XNUMX과 XNUMX로 구성된 문자열과 해당 문자열에 작용하는 연산으로 축소됩니다. 좋아요? 비트 대신 큐비트 또는 양자 비트가 있습니다. 그리고 이 큐비트는 XNUMX과 XNUMX의 일관된 혼합인 혼합 또는 중첩 상태에 있을 것입니다. 여러분이 들어가서 측정을 할 때까지 말입니다. 측정을 하면 XNUMX인지 XNUMX인지 알 수 있습니다.

스트로가츠 (26:21): 좋습니다. 하지만 이제 귀하의 경우 Sycamore 칩이나 이 양자 플랫폼을 사용하여 아무것도 계산하지 않을 것입니다. 어려운 계산 문제를 해결하려는 것이 아니라 제 시간에 놀라운 트릭을 수행하는 양자 플랫폼의 기능을 사용하려고 합니다.

케마니: 바로 그거죠.

스트로가츠 (26:41): 당신이 그렇게 하려고 했던 것처럼 들립니다. 삐 삐 과 비밥 비밥. 그게, 우리가 지금 그것을 다시 묶을 수 있을까요? 당신은 당신의 칩을 무엇을 할 수 있었습니까?

케마니 (26:53): 예, 모든 계산은 시간의 진화일 뿐입니다. 좋아요? 하지만 정수를 인수분해하기를 원한다면 매우 어렵고 매우 구체적인 유형의 계산이므로 수행하기가 매우 어렵습니다. 그러나 그 동안 큐비트가 특정 방식으로 상호 작용하여 삐삐삐삐삐삐삐 그것의 일부... 이것을 단순화하기 위해 두 가지 유형의 게이트가 있다고 가정해 봅시다. 큐비트가 서로 상호 작용하도록 하는 일종의 게이트가 있습니다. 그리고 큐비트의 상태를 뒤집는 일종의 게이트가 있습니다.

스트로가츠: 알았어, 어허.

케마니 (27:31): 따라서 양자 플랫폼이 할 수 있는 것은 주기적인 방식으로 일련의 게이트를 적용하는 것입니다. 좋아요, 그래서 제가 상호작용하는 게이트 층, 플립 게이트 층, 상호작용하는 게이트 층, 플립 게이트 층을 적용한다고 합시다. 그런 다음 이 주기적인 패턴으로 계속할 수 있습니다. 그래서 그것은 삐삐삐삐삐삐삐삐.

스트로가츠 (27:57): 그렇군요. 당신은 그것을 부과하고 있습니다, 당신은 그것을 칩에 부과하고 있습니다 —

케마니: 나는 그것을 칩에 부과하고 있습니다.

스트로가츠  (28:02): — 하지만 칩은 동일한 대칭으로 응답하지 않습니다.

케마니 (28:05): 맞습니다. 그런 다음 들어가서 매번 내 시스템을 측정합니다. 삐삐삐삐삐삐삐. 하지만 저는 사실, 국가가 비밥 비밥 비밥 비밥 XNUMX 주기마다 자기 자신에게 돌아오고 그 대칭성을 존중하지 않습니다. 그리고 그것을 물질의 위상이라고 부르는 것이 중요한 것은 이 모든 것이 안정적이라는 것입니다. 자, 그러면 들어갈 수 있고 상호작용 게이트의 매개변수를 변경할 수 있고 뒤집는 양을 변경할 수 있습니다. 그리고 일부 확장된 범위의 매개변수에서는 계속해서 다음을 얻습니다. 비밥 비밥 비밥 비밥 응답.

스트로가츠 (28:45): 알겠습니다. 그래서 그것은 매우 섬세하지 않습니다.

케마니: 별말씀을요.

스트로가츠 (28:50): 상당히 견고합니다. 완전 튼튼해보이네요.

케마니 (28:53): 맞습니다. 우리는 작업 중 하나에서 "절대적으로 안정적"이라고 부릅니다. 그리고 그것은 중요합니다. 아시다시피, 여러분은 그것을 물질의 한 단계라고 부르고 싶을 것입니다. 이것은 정말로 – 이것은 정말로 매우, 매우 강력합니다. 어떤 식으로든 미세 조정된 진화가 아닙니다.

스트로가츠 (29:05): 몇 년 전에 생각했던 이 아이디어가 실생활에서 작동하고 있다는 것을 처음 깨달았을 때의 느낌을 말씀해 주시겠습니까? 방을 뛰어다녔나요? 노래를 시작했습니까? 뭐 했어?

케마니 (29:18): 아니요, 여기는 길이 멀었거든요. 오른쪽? 그래서 우리는 몇 년 전에 이런 생각을 했고 - 죄송합니다만 - "아니오"는 매우 부정적으로 들립니다!

스트로가츠 (29:27): 무엇이든 말할 수 있습니다. 나에게 진실을 말해. 무슨 일이에요? 응.

케마니 (29:32): 아니요, 유레카 같은 순간은 아니었지만 몇 년이 걸렸습니다. 알다시피, 우리는 일종의 진화에 대한 이론적인 아이디어를 가지고 있었습니다. 이러한 현상을 보여주는 시스템의 한 유형이었습니다. 그리고 많은 놀라운 실험들이 있었습니다. 아시다시피, 이것의 일부를 보았고 매우 빠르게 많은 다른 플랫폼에서 이 물리학의 일부를 실현하려고 시도했습니다. 그리고 알다시피, 이 모든 선행 실험은 물리학의 특정 측면을 보았지만 완전한 영광의 물리학은 아닙니다. 완전한 영광에서, 당신은 물질의 이 단계의 정의가 시스템의 전체 스펙트럼에 걸쳐 확장되는 고유 상태 질서라고 불리는 것을 통해서라는 것을 알고 있습니다. 이것은 매우 뜨거운 온도에서의 양자 결맞음입니다. 아시다시피 그것은 완전히 정확하지는 않지만 매우 높은 에너지에서 그렇습니다. 좋아요? 그리고 어떤 실험도 그 부분을 실제로 본 적이 없었습니다.

(30:31) 알겠습니다. 그래서 이론적 구상과 전조 실험 이후 몇 년 동안 우리가 한 일은 실제로 무엇이 필요한지 식별하기 위한 작업이었습니다. 양자 플랫폼에서 우리가 찾고 있는 프로그래밍 가능한 상호 작용의 유형은 무엇입니까? 그리고 이러한 유형의 실험을 수행할 수 있는 플랫폼에서 우리가 찾고 있는 측정 기능 유형은 무엇입니까? 이를 위해서는 다양한 실험이 수행한 작업, 달성한 작업, 누락된 작업에 대한 자세한 분석이 필요했습니다. 그런 다음 주위를 둘러보며 우리는 "좋아요, 현재 구현된 Google 실험은 그들이 가진 기능을 가지고 좋은 플랫폼입니다. [그것은] 이 물리학을 실현할 수 있는 모든 상자를 확인합니다." 그래서 우리는 Google 팀에 접근했고 거기에서 시작되었습니다.

스트로가츠 (31:24): 이제 이러한 양자 플랫폼을 컴퓨터로 사용한다는 아이디어는 실제로 일종의 오래된 아이디어입니다. 그렇죠? 칼텍의 위대한 물리학자이자 조커인 리차드 파인만(Richard Feynman)으로 돌아가 보자. 현명하고 짓궂고 훌륭한 교사이자 어떤 면에서는 문제가 있는 사람이었다. 하지만 어쨌든. Feynman은 양자 계산에 대한 이러한 비전을 가지고 있었습니다. 무엇인지 궁금합니다. 우리를 위해 요약해 주실 수 있을까요? 그는 양자 컴퓨터가 무엇에 사용될 수 있다고 생각했습니까? 그리고 그가 당신이 한 일에 대해 어떻게 생각했을 것이라고 생각합니까? 그냥 추측합니다.

케마니 (31:58): 실제로 — Feynman은 양자 물질을 시뮬레이션하려는 경우 양자 컴퓨터를 사용하라고 말한 사람이었습니다. 오른쪽? 양자 물질은 이 기하급수적으로 큰 힐베르트 공간에 살고 있기 때문입니다. [만약 당신이] 당신의 고전적인 컴퓨터에서 양자 시스템을 시뮬레이트하려고 한다면, 당신은 둥근 구멍에 네모난 말뚝을 맞추려고 하는 것입니다. 그것은 단지 그것을 위해 설계되지 않았습니다. Feynman은 우리가 이러한 양자 시스템을 양자 시뮬레이터로 생각하는 길을 시작하게 했다고 생각합니다. 그리고 우리의 실험은 실제로 양자 시뮬레이션의 한 예입니다.

스트로가츠 (32:33): 물리학자에게 양자 컴퓨터가 필요한가요? 예를 들어 Sycamore 아키텍처나 다른 것을 사용하는 컴퓨터가 실제로 물리학자들이 새로운 이국적인 형태의 양자 물질을 이해하거나 발견하는 데 실제로 도움이 될 것이라고 생각하십니까?

케마니 (32:49): 예, 이미 가지고 있다고 생각합니다. 오른쪽? 양자 물질을 실험적으로 실현하고 연구하고 탐사할 수 있는 능력은 이론의 땅에서 양자 시스템이 할 수 있는 것과는 거리가 먼 모든 놀라운 일에 대해 정말로 생각하도록 강요했습니다. 우리는 생각하는 데 익숙했습니다. 그리고 이것은 이미 시간 결정과 같이 평형을 벗어난 양자 시스템에 대한 새로운 가능성에 대해 우리가 이해한 많은 놀라운 새로운 종류의 현상으로 이어졌습니다. 그리고 실제로 희망은 어느 시점에서 양자 역학의 고립된 양자 시스템이 무엇을 할 수 있는지에 대한 이 새로운 이론적 이해가 한계를 뛰어넘고 더 나은 양자 플랫폼을 구축하는 데 피드백이 될 것이라는 것입니다. 매우 생산적인 주기라고 생각합니다.

스트로가츠 (33:48): 어허. 음, 청취자 중 일부는 그것에 대해 궁금해하고 있다고 확신합니다. 응용 프로그램이 나올 것으로 예상합니까? 물리 실험실 밖에서요? 음, 시간 결정체, 또는 시간 결정체의 후계자, 훨씬 더 이국적인 물질 상태라고 할까요? 트랜지스터가 한때 흥미진진한 양자 시스템이었지만 지금은 모든 라디오, 모든 컴퓨터에 있는 것과 같은 것을 가질 수 있을까요?

케마니 (34:12): 네, 질문에 답변하신 것 같습니다. 즉, 제가 이 작업을 하는 이유는 다른 양자 시스템이 무엇을 할 수 있는지 이해하는 기쁨 때문입니다. 하지만 언제라도 예상치 못한 일을 할 수 있는 새로운 안정적인 물질 단계가 있을 때… 알다시피, 그것이 어떤 종류의 응용 프로그램에 사용될 수 있는 가능성은 항상 현실적입니다, 그렇죠? 아인슈타인이 일반 상대성 이론에 대해 생각했을 때처럼, 그는 그렇게 될 것이라고 예견하지 못했습니다. 휴대 전화의 GPS에 들어갈 것입니다. 그렇죠? 그리고 당신이 말했듯이, 사람들이 반도체에 대해 생각할 때, 그들은 분명 반도체 혁명을 상상할 수 없었을 것입니다.

스트로가츠 (35:00): 음, 그것은 호기심이 이끄는 연구의 매우 고무적인 예입니다. 내 말은, 나는 당신이 양자 시스템에서 가능한 이상하고 매혹적인 행동을 조사하기 위해 나와서 당신이 기쁨을 위해 그것을 하고 있다고 말하는 방식을 좋아합니다. 그리고 우리는 그것이 어디로 갈지 아직 모릅니다. 그러나 우리는 당신과 같은 호기심을 가지고 단지 흥분을 위해 그것을 하는 사람들이 필요합니다. 그래서 Vedika Khemani. 오늘 저희와 대화해주셔서 대단히 감사합니다.

케마니 (35:25): 고맙습니다, 스티브. 정말 즐거웠습니다.

아나운서 (35:29): 과학 및 수학의 최신 정보를 확인하세요. 가입 Quanta Magazine 뉴스 레터. 무료이며 매주 금요일 이메일 받은 편지함에 도착합니다. 가입 방법에 대한 자세한 내용은 quantamagazine.org를 참조하십시오.

스트로가츠 (35 : 43) : 이유의 기쁨 의 팟캐스트입니다. Quanta Magazine, Simons Foundation에서 지원하는 독립적인 편집 간행물. Simons Foundation의 자금 지원 결정은 이 팟캐스트 또는 이 팟캐스트의 주제, 게스트 또는 기타 편집 결정에 영향을 미치지 않습니다. Quanta Magazine. 이유의 기쁨 Susan Valot와 Polly Stryker가 제작합니다. 편집자는 John Rennie와 Thomas Lin이며 Matt Carlstrom, Annie Melchor 및 Allison Parshall의 지원을 받습니다.뿐만 아니라 Nona McKenna와 Zack Savitsky]. 우리의 테마 음악은 Richie Johnson이 작곡했습니다. Cornell Broadcast Studios의 Bert Odom-Reed에게 특별히 감사드립니다. 로고는 Jaki King이 제작했습니다. 저는 호스트 Steve Strogatz입니다. 질문이나 의견이 있으시면 다음 주소로 이메일을 보내주십시오. [이메일 보호] 듣기 주셔서 감사합니다.