Спин-стёкла — это физические системы, в которых малые магнитные моменты частиц (спинов) взаимодействуют друг с другом случайным образом. Эти случайные взаимодействия между спинами делают невозможным удовлетворение всеми спинами их предпочтительных выравниваний; это состояние известно как фрустрация.
Исследователи из Стэнфордского университета недавно создали новый тип спин-стекла, а именно управляемое диссипативное стекло Изинга в системе полостной квантовой электродинамики (QED). Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, является результатом более чем десятилетних исследований, направленных на создание спин-стёкол с использованием полостной квантовой электродинамики.
Спин-стёкла как модель сложных систем
Спин-стёкла являются общей моделью для сложных систем и, в частности, для нейронных сетей — спины служат нейронами, соединёнными их взаимно фрустрирующими взаимодействиями, — рассказал Бенджамин Лев, старший автор статьи.
«Мы давно задавались вопросом, какие очки и нейроморфные вычислительные устройства можно создать, заменив классические спины атомными спинами и позволив им взаимодействовать посредством фотонов. Как квантово-оптические и запутанные эффекты могут улучшить такие устройства? Наш путь в это начался в 2010 году с теоретической статьи, написанной с теоретиками Полом Голдбартом и Сарангом Гопалакришнаном (ныне в Стоуни-Брук и Принстоне соответственно)», — добавил он.
Создание нового типа спин-стекла
Проводя свои ранние теоретические исследования, Лев и его коллеги определили новую многообещающую установку полостной квантовой электродинамики, характеризующуюся несколькими частотно-вырожденными модами. Они поняли, что эта установка, получившая название многомодовой полостной QED, может «подключить» атомные спины настолько, что это приведёт к фрустрации их ориентации в стеклообразное состояние.
«Новый тип полостной QED может быть использован для реализации ассоциативной памяти, канонической нейроморфной способности», — сказал Лев.
«Вскоре после этого осознания, в обсуждениях с Джонатаном Килингом, мы обнаружили, что особая «многомодовая вырожденная» геометрия полости, называемая конфокальной полостью, может сделать спин-стекло практически осуществимым», — объяснил Лев.
После нескольких лет исследований учёные смогли опосредовать спиновые взаимодействия в спин-стекле, используя фотоны в своей предложенной системе многомодовой полостной QED. Это привело к реализации первого спин-стекла в квантово-оптической установке.
«Мы были первыми, кто сообщил о прямом экспериментальном наблюдении нарушения репликационной симметрии и результирующей ультраметрической структуры полностью связанных спин-стёкол на основе микроскопических измерений спинов», — сказал Лев.
Новый тип стекла Изинга
Примечательно, что простая конфокальная полость, которую команда использовала в своих предыдущих экспериментах, не позволила бы им спроектировать необходимые для реализации этого нового типа спин-стекла Изинга взаимодействия, опосредованные фотонами. Они сотрудничали с Килингом и Рианнон Ланни, студенткой бакалавриата, которую он курировал в Университете Сент-Эндрюс, чтобы разработать альтернативную, экзотическую многомодовую полость.
«В статье, опубликованной в 2019 году, мы предложили таксономию для многомодовых полостей, образованных с помощью двух зеркал», — сказал Лев. «Это позволило нам показать, что опосредованные фотонами взаимодействия Изинга могут быть реализованы с помощью конфигурации многомодовой полости, которую мы называем полостью «4/7» (из-за особой структуры мод, составляющей резонатор). Несколько лет спустя моя команда, возглавляемая бывшим студентом Бренданом Маршем, настроила зеркала на эту конфигурацию и смогла реализовать спин-стекло Изинга, о котором сообщалось в PRL».
С новой установкой многомодовой полости, которую они представили, исследователи смогли реализовать более простое (то есть Изинга) спин-стекло, которое было в три раза больше, чем квантово-оптическое спин-стекло, о котором сообщалось в их более ранней работе. Кроме того, они продемонстрировали существование нарушения репликационной симметрии и ультраметричности в этой системе на микроскопическом уровне.
«Более того, мы утроили размер спин-стекла с n = 8 из статьи в Science до n = 25», — сказал Лев. «Уже было невозможно численно смоделировать управляемую диссипативную квантово-оптическую динамику системы n = 8. Однако n = 25 ещё больше удаляет точное моделирование из области возможностей, делая экспериментальную систему уникальной платформой для изучения динамики внутренне неравновесных стеклообразных систем, для которых ещё не существует теории».
Спин-стекло Изинга, реализованное исследователями, может стать многообещающей платформой как для проведения научных исследований, так и для разработки новых аппаратных компонентов, вдохновлённых мозгом. Недавно исследователи успешно использовали своё спин-стекло для создания так называемой ассоциативной памяти, которая ранее считалась невозможной с использованием стеклообразных систем.
glass, namely a driven-dissipative Ising spin glass in a cavity quantum electrodynamics (QED) experimental setup. Their paper, published in Physical Review Letters, is the result of over a decade of studies focusing on creating spin glasses with cavity QED.»,»\»Spin glasses are a general model for complex systems, and specifically for neural networks—spins serve as neurons connected by their mutually frustrating interactions,\» Benjamin Lev, senior author of the paper, told Phys.org.»,»\»We’ve long wondered what sort of glasses and neuromorphic computational devices one could make by replacing classical spins with atomic spins and allowing them to interact via photons. How might quantum-optical and entangling effects enhance such devices? Our foray into this began in 2010 with a theory paper written with theorists Paul Goldbart and Sarang Gopalakrishnan (now at Stony Brook and Princeton, respectively).\»»,»While conducting their earlier theoretical studies, Lev and his colleagues had identified a new promising cavity QED setup, characterized by multiple frequency-degenerate modes. They realized that this setup, dubbed multimode cavity QED, could \»wire up\» atom-based spins to such an extent that it would frustrate their orientation into a glassy state.»,»\»The new type of cavity QED could be used to realize associative memory, a canonical neuromorphic capability,\» said Lev.»,»\»Shortly after this realization, in discussions with Jonathan Keeling, we found that a particular ‘multimode-degenerate’ cavity geometry called a confocal cavity could make the spin glass practicable,\» explained Lev. \»Meanwhile, we began building the experiment and, in a series of papers beginning in 2015, benchmarked each of the steps needed to learn how multimode cavity QED works in practice.\»»,»After several years of research, the researchers were able to mediate spin interactions in a spin glass leveraging cavity photons in their proposed multimode cavity QED system. This led to the realization of the very first spin glass in a quantum-optical setup.«,»\»We were the first to report the direct experimental observation of replica symmetry breaking and the resulting ultrametric structure of all-to-all connected spin glasses from microscopic spin measurements,\» said Lev. \»However, we achieved this using a strange form of spin glass—that of XY spins interacting like XX–YY. To connect more directly with the literature of neural networks, we wanted to instead create a spin glass of canonical form, i.e., one that has Ising-interacting spins.\»»,»Notably, the simple confocal cavity that the team used in their previous experiments would not allow them to engineer the photon-mediated interactions necessary to realize this new type of Ising spin glass. They collaborated with Keeling and Rhiannon Lunney, an undergraduate student that he was supervising at University of St. Andrews, to develop an alternative, exotic multimode cavity.»,»\»In a paper published in 2019, we came up with a taxonomy for multimode cavities formed with two mirrors,\» said Lev. \»This allowed us to show that photon-mediated Ising interactions can be engineered using a multimode cavity configuration that we call a ‘4/7’ cavity (for the particular mode structure that makes up the resonator). A few years later, my team, led by former student Brendan Marsh, tuned the mirrors to this configuration and were able to realize the Ising spin glass reported in PRL.\»»,»With the new multimode cavity setup they introduced, the researchers were able to realize a simpler (i.e., Ising) spin glass that was three times larger than the quantum-optical spin glass reported in their earlier work. In addition, they demonstrated the existence of replica symmetry breaking and ultrametricity in this system at a microscopic level as well.»,»\»Moreover, we tripled the size of the spin glass from the n = 8 size of the Science paper to n = 25,\» said Lev. \»It was already not possible to numerically simulate the driven-dissipative, quantum-optical dynamics of the n = 8 system. However, n = 25 removes exact simulation much further from the realm of possibility, making the experimental system a unique platform for exploring the dynamics of intrinsically non-equilibrium glassy systems, for which no theory yet exists.\»»,»The Ising spin glass realized by the researchers could be a promising platform both for conducting research studies and for developing new brain-inspired hardware components. Recently, the researchers successfully used their spin glass to create a so-called associative memory, which was previously thought to be impossible using glassy systems.»,»\»This was predicted in our earlier theory work led by Marsh, and we showed that our spin glass can outperform the classic Hopfield model’s memory capacity by virtue of being made of atoms and photons,\» said Lev. \»But also—in an experimental surprise—we found that our quantum-optical Ising spin glass enables a form of short-term learning plasticity akin to what neuroscientists suggest might occur in our brains.\»»,»In the Ising spin glass realized by the researchers, atoms are strongly coupled to each other by the light inside the multimode cavity and can be moved around by this light. The changing positions of these atoms enable the emission of light patterns that represent stored information from the cavity with far greater fidelity than if atoms were unable to move.»,»\»A multimode cavity supports thousands of different spatial patterns of photons bouncing between the two mirrors,\» explained Lev. \»Normal cavities support just one, and that usually looks like a Gaussian wavepacket for the photons transverse to the cavity axis. In a multimode cavity, these spatial patterns superimpose to form a much more tightly localized wavepacket for the photons—whereas the Gaussian can be tens of microns wide for the photon, a multimode cavity supports modes that are less than two microns wide.\»»,»The local mode that can be realized with the team’s setup, referred to as a \»synthetic\» or \»supermode,\» can prompt Bose Einstein condensates (BECs) that are trapped inside the cavity to behave as a collective spin-up or spin-down particle. The team was able to realize the desired spins leveraging this supermode.»,»\»Microscopically, the ‘spin’ is just one of two checkerboard states—black or red—of a density wave that the atoms in the BEC form when light from the side of the cavity is shown upon them,\» clarifies Lev.»,»After they realized the Ising spins, the researchers had to \»wire them up,\» prompting them to interact with each other. The multimode cavity they developed is ideal for initiating these spin interactions.»,»\»These interactions naturally occur in a multimode cavity, because in addition to the tight-spot component of the supermodes, the modes also spread out every other round trip of the cavity to illuminate all the spins at once,\» said Lev.»,»\»Depending on the phase of this light at each spin, the spins are forced to either align or anti-align with all the other spins. That phase can be random if the BECs are spaced away from the cavity center, yielding a network of spin connectivity where every spin is coupled to every other spin with a randomly signed weight (due to the random light phases).\»»,»The random spin interactions that emerge in the team’s cavity QED setup ultimately result in the geometric frustration of the spin states, producing a glass. The light illuminating the system then leaks out of the cavity and can be used to produce an image, employing the same strategy used to create holograms.»,»\»The phase of the supermode spots emanated from each BEC tell us the ‘spin’ state of that BEC,\» said Lev. \»This means that we can read out the spin configuration of the entire network as it organizes into a glass.\»»,»The team’s ability to read out the spin configuration of a glassy system in a cavity QED system is remarkable, as it has never been reported before.»,»\»The key breakthroughs here are the two aspects of this new multimode cavity QED w/BECs instrument we created in the last few years, an active quantum gas microscope,\» explained Lev. \»This is like traditional quantum gas microscopes in that high NA optics (in our case these are mirrors rather than lenses) allow one to image quantum atomic gases on the length scale at which they interact but at the same time, the cavity mirrors reflect the photons back onto the atoms to engineer the interactions that drive system organization. In that sense, it’s active.\»»,»Glasses are typically not in a state of equilibrium, as they can get stuck in metastable configurations (i.e., states that can remain stable for a long time but are not the lowest-energy states of a system). The cavity QED setup developed by the researchers enables the realization of glasses that are driven by photons and dissipate photons into the environment, thus extending even further from a state of equilibrium.»,»The new experimental platform introduced by Lev and his colleagues could soon advance the study of spin glasses, potentially shedding new light onto their underlying physics and how they are formed. In addition, the researchers plan to explore the potential of the driven-dissipative Ising spin glass introduced in their paper for the development of brain-inspired technologies.»,»\»We uncovered a brand-new form of spin glass that hasn’t been explored before, even theoretically,\» added Lev. \»Our work now allows us to ask questions about its unique properties and capabilities for neuromorphic computation. We’re also moving toward making the spins behave more quantum mechanically so that we can create and explore a quantum-entangled spin glass.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t «,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник