Квантовый компьютер: Кристаллы времени от Google

В конце июля компания Google объявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи - так называемый кристалл времени (или темпоральный кристалл), само существование которого, кажется, бросает вызов известным нам фундаментальным законам физики.

Научная статья, написанная при участии исследователей из Стэнфорда, Принстона и других ведущих американских университетов и подробно описывающая технологию создания кристалла, осенью должна быть опубликована в журнале Nature - после того как пройдет положенную проверку научным сообществом.

Авторы работы (а в черновике публикации перечислено больше сотни имен) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие подтвердится, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.

Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров - настолько быстрых и мощных, что они смогут за считанные минуты решать задачи, на которые у современных процессоров ушли бы тысячелетия. Собственно, и создан кристалл времени был внутри самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера, Google Sycamore (https://ru.wikipedia.org/wiki/Sycamore_(%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80).

Эксперты называют это открытие настолько революционным, что "в полной мере осознать его важность мы пока еще даже не в состоянии".
Так что такое кристалл времени?

Всем известны три основные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они существенно отличаются физическими свойствами, но могут переходить одно в другое при необходимых условиях - давлении и температуре.

Однако этими тремя Вселенная не ограничивается. Ученым известны и другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла нам заменить громоздкие телевизоры на мониторы с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в основном в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всего привычного нам вещества.

За последние сто лет в лабораторных условиях удалось получить сверхтекучие квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденное вещество, бозе-эйнштейновский конденсат и другие т.д.

Темпоральный кристалл - одно из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое кристалл обычный - будь то драгоценный алмаз или простой лед.

В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл - твердое тело. Его атомы (или молекулы) связаны между собой и расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, как углы клеток на шахматной доске. Впрочем, клетки плоские, а кристалл объемный - так что его структура напоминает скорее кубик Рубика.
кристаллическая решетка

Трехмерная структура, в которой атомы располагаются на одинаковом удалении друг от друга, называется кристаллической решеткой

В жидком и газообразном состоянии вещество со всех сторон выглядит одинаково. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. поэтому ученые говорят, что в кристаллах пространственная симметрия нарушена.

Однако теория относительности утверждает, что, помимо трехмерного пространства, у Вселенной есть и четвертое измерение - время. Поэтому в 2012 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться точно так же - в повторяющейся последовательности, на одинаковом удалении друг от друга - но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в изначальное положение.

Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом кверху. Потом эту коробку хорошенько потрясли, открыли - и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перевернулись одинаково: теперь все до единой лежат кверху решкой.

Потрясли еще раз - снова везде орел; еще - опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась изначально - и возвращается к нему вновь и вновь, после каждого четного изменения. А после каждого нечетного - меняет это состояние на противоположное.

Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а его результат повторяется через раз, ученые говорят, что в данном случае нарушена симметрия времени. Именно это - определяющее свойство темпоральных кристаллов.

Монеты в данном случае - это элементарные частицы, из которых состоит кристалл (как шарики на картинке выше). Орел и решка - их квантовые состояния, а "потряхивание коробки" - любое периодически повторяющееся воздействие (например, облучение кристалла лазером). Вильчек рассчитал, возможно ли такое в теории - и математические формулы сошлись, подтверждая его правоту.

И хотя через несколько лет в опубликованных расчетах нобелевского лауреата были обнаружены неточности, эксперименты по созданию кристаллов времени продолжились - и, кажется, увенчались успехом.
Почему открытие кристалла времени называют революцией в науке?

Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики - во всяком случае так кажется на первый взгляд.

Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не затрачивая при этом энергии (энергия лазера кристаллу не передается, выступая своеобразным "физическим катализатором") - а это подозрительно напоминает вечный двигатель, существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке. Парижская академия наук перестала принимать и рассматривать проекты вечного двигателя в 1775 году - "ввиду очевидной невозможности его создания".

Возвращаясь к аналогии чуть выше, монеты в коробке переворачиваются не произвольно, случайным образом, а упорядоченно, все вместе - как если бы между ними была какая-то необъяснимая связь, - хотя весь наш опыт подсказывает, что в жизни так не бывает.

    Телепортация - не фантастика, а реальность. Как это работает?

Всем известно, что разбить любой предмет куда проще, чем собрать его из нескольких частей. Смешать белок и желток - дело нескольких секунд, а вот разделить их после этого практически невозможно. Эти примеры наглядно демонстрируют нам действие Второго закона термодинамики, который гласит, что с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, стремится от порядка хаосу. То есть к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое состояние физики еще называют "тепловая смерть".

Отпущенный маятник не может колебаться бесконечно: во время движения он затрачивает энергию, поэтому рано или поздно колебания затухают. А энергия темпорального кристалла остается неизменной без всякой подпитки извне, поэтому в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое (и возвращаться обратно) бесконечно.
Пропустить контент из YouTube, 1

Сообщество Макса Планка называет эти кадры "первой в мире видеозаписью пространственно-временного кристалла"

Правда, инженер Google и ведущий автора работы Сяо Ми говорит Русской службе Би-би, что эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристал не годится.

"Хотя кристал действительно демонстрирует "вечное движение", это движение не производит энергии", - объясняет он.

"На самом деле свидетельства вечного движения в квантовых системах нам уже встречалось, - продолжает физик. - Например, в сверхпроводниках. по которым электроны путешествуют, не встречая никакого сопротивления. Или в сверхтекучих жидкостях, где так же без всякого сопротивления перемещаются атомы гелия. Хотя ни там ни там пространственная симметрия не нарушена - а значит, под определение темпоральных кристаллов они не попадают".

Что же касается теории относительности, где время и пространство покоятся на одном фундаменте, то в этой системе координат действительно может показаться, что, раз уж обычные кристаллы (то есть любые твердые тела в целом) нарушают пространственную симметрию, то со всей очевидностью должна нарушаться и симметрии относительно сдвига во времени,

"Несколько лет теоретических исследований ушло на то, чтобы понять: "тепловой смерти" можно избежать - путем так называемой многочастичной локализации (MBL), за счет которой нарастание энтропии в каждой части системы замедляется", - говорит Сяо Ми.
Зачем все это нужно?

Теоретическая физика не относится к прикладным наукам - а значит, в ближашее время невероятному открытию вряд ли найдется достойное применение на практике.

Поскольку темпоральные кристаллы оказались невероятно устойчивыми к электромагнитному шуму (то есть любым воздействиям извне системы), им с большой вероятностью найдется применение при создании сверхточных часов и гироскопов.

Еще одна популяная версия состоит в том, что обнаружение столь уникальной формы материи приближает ученых к созданию запоминающих устройств для квантовых суперкомпьютеров.

Однако пока любые версии применения темпоральных кристалов на практике - не более чем предположения. Даже сами создатели кристалла не могут убедительно ответить на вопрос, где технология найдет свое практическое применение, и не исключают, что на это уйдут десятилетия. Однако, по словам Сяо Ми, с точки зрения науки не это главное.

"Кристаллы времени - явление настолько удивительное, что заслуживает изучения само по себе, безо всякой практической цели, - уверяет он. - Нам ведь так мало известно о состояниях, в которых вещество может выходить за пределы температурного равновесия".

Николай Воронин
https://www.bbc.com