Кристалл времени был создан внутри микросхемы Sycamore от Google, которая хранится в холодном состоянии внутри их квантового криостата. (Изображение предоставлено Эриком Лусеро / Google, Inc.)
Исследователи, работающие в партнерстве с Google, возможно, только что использовали квантовый компьютер технологического гиганта для создания совершенно новой фазы материи — кристалла времени.
Обладая способностью бесконечно перемещаться между двумя состояниями без потери энергии, временные кристаллы не подчиняются одному из важнейших законов физики — второго закона термодинамики, который гласит, что беспорядок или энтропия изолированной системы всегда должна увеличиваться. Эти странные временные кристаллы остаются стабильными, сопротивляясь любому растворению в случайности, несмотря на то, что они находятся в постоянном состоянии потока.
Согласно исследовательской статье, опубликованной 28 июля в препринтной базе данных arXiv, ученые смогли создать кристалл времени в течение примерно 100 секунд, используя кубиты (версия традиционного компьютерного бита для квантовых вычислений) внутри ядра квантового процессора Google Sycamore.
Существование этой странной новой фазы материи и раскрываемой ею совершенно новой области физического поведения невероятно волнует физиков, особенно учитывая, что существование временных кристаллов было впервые предсказано всего девять лет назад.
«Это было большим сюрпризом», — сказал в интервью Live Science Курт фон Кейзерлингк, физик из Университета Бирмингема в Великобритании, который не принимал участия в исследовании. «Если бы вы спросили кого-то 30, 20 или, может быть, даже 10 лет назад, они не могли этого предвидеть».
Кристаллы времени — увлекательный объект для физиков, потому что они, по сути, обходят второй закон термодинамики, один из самых жестких законов физики. Он утверждает, что энтропия (грубый аналог количества беспорядка в системе) всегда увеличивается. Если вы хотите сделать что-то более упорядоченным, вам нужно вложить в это больше энергии.
Эта тенденция к разрастанию беспорядка объясняет множество вещей, например, почему легче перемешать ингредиенты в смеси, чем снова их разделять, или почему шнуры наушников так запутываются в карманах брюк. Он также устанавливает стрелу времени: прошлая вселенная всегда более упорядочена, чем настоящая; например, просмотр видео в обратном направлении может показаться вам странным в первую очередь потому, что вы наблюдаете парадоксальное изменение направления этого энтропийного потока.
Второй закон термодинамики гласит, что все системы развиваются в направлению к состоянию большего беспорядка, когда энергия распределяется равномерно по системе. (Изображение предоставлено: Архив универсальной истории / Universal Images Group через Getty Images)
Кристаллы времени не подчиняются этому правилу. Вместо того, чтобы медленно приближаться к тепловому равновесию — «термализации», так что их энергия или температура равномерно распределяются по всему их окружению, они застревают между двумя энергетическими состояниями выше этого состояния равновесия, циклически меняясь между ними бесконечно.
Чтобы объяснить, насколько необычно такое поведение, фон Кейзерлингк сказал, что нужно представить себе запечатанный ящик, наполненный монетами, прежде чем его встряхивают миллион раз. По мере того, как монеты рикошетом отскакивают друг от друга и начинают подпрыгивать, они «становятся все более и более хаотичными, двигаясь в самых разных возможных направлениях», пока тряска не прекратится, и коробка не откроется, чтобы показать монеты, расположенные в случайном порядке в следующей конфигурации: примерно половина монет обращена вверх, а половина — вниз. Мы можем предположить, что увидим, что они будут случайно распологаться в случайном порядке следующим образом: половина их будет «орел», а половина «решка» независимо от того, как мы изначально разместили монеты в коробке.
Внутри «коробки» Google Sycamore мы можем наблюдать похожее расположение кубитов квантового процессора, такое же как и наши монеты. Точно так же, как монеты могут быть орлом или решкой, кубиты могут быть либо 1, либо 0 — двумя возможными положениями в системе с двумя состояниями — или странным сочетанием вероятностей обоих состояний, называемым суперпозицией. Фон Кейзерлингк говорит, что странным в кристаллах времени является то, что никакие встряски или переходы из одного состояния в другое не могут переместить кубиты временного кристалла в состояние с наименьшей энергией, что является случайной конфигурацией; они могут только перевернуть его из исходного состояния во второе состояние, а затем обратно.
«Это похоже на шлепки», — сказал фон Кейзерлингк. «Это все не похоже на случайность, это как будто просто застревает. Словно происходит запоминание того, как это выглядело изначально, и идет повторение этого шаблона с течением времени».
В этом смысле кристалл времени подобен маятнику, который никогда не перестает раскачиваться.
«Даже если полностью физически изолировать маятник от Вселенной, чтобы не было трения и сопротивления воздуха, он в конечном итоге остановится. И это из-за второго закона термодинамики», — сказал Ахиллеас Лазаридес, физик из Университета Лафборо в Великобритания, который был среди ученых, впервые открывших теоретическую возможность новой фазы в 2015 году, говорится в издании Live Science. «Энергия изначально сконцентрирована в центре масс маятника, но есть все эти внутренние степени свободы — например, способы, с помощью которых атомы могут колебаться внутри стержня, — в которые энергия в конечном итоге трансформируется».
На самом деле, не существует способа, с помощью которого крупноплановый объект мог бы вести себя как кристалл времени, чтобы это не выглядело абсурдно, потому что единственными существующим законами, позволяющими существовать кристаллам времени, — являются жуткие и сюрреалистические законы, которые управляют миром элементарных частиц — квантовой механикой.
В квантовом мире объекты одновременно ведут себя и как элементарные частицы, и как маленькие волны одновременно, причем величина этих волн в любой заданной области пространства представляет собой вероятность обнаружения частицы в этом месте. Но случайность (например, случайные дефекты в структуре кристалла или запрограммированная случайность в силе взаимодействия между кубитами) может привести к тому, что волна вероятности частицы погаснет повсюду, кроме одной очень маленькой области. Остоновившись в одном месте, неспособная двигаться, изменять состояния или менять свою температуру в зависимости от окружающей среды, частица становится локализованной.
Исследователи использовали этот процесс локализации в основе своего эксперимента. Используя 20 полосок сверхпроводящего алюминия для своих кубитов, ученые запрограммировали каждую из них на одно из двух возможных состояний. Затем, направив микроволновый луч на полоски, они смогли привести свои кубиты в перевернутое состояние; исследователи повторили эксперимент десятки тысяч раз и останавливась в разных точках, чтобы записать состояния, в которых находились их кубиты. Вот, что они обнаружили: их набор кубитов переключался между двумя конфигурациями, а кубиты больше не поглощали тепло от микроволнового луча — они сделали кристалл времени.
Они также обнаружили ключ к разгадке того, что их кристалл времени был фазой материи. Чтобы что-то считалось фазой, оно обычно должно быть очень устойчивым к колебаниям. Твердые тела не будут плавиться, если температура вокруг них немного изменится; также незначительные колебания не приведут к внезапному испарению или замерзанию жидкостей. Таким же образом, если микроволновый луч, используемый для переключения кубитов между состояниями, был настроен так, чтобы он был близок к 180 градусам, необходимым для идеального поворота, но немного отличался от этого значения, кубиты все равно переходили в другое состояние.
«Дело не в том, что, если вы не находитесь точно на 180 градусах, вы будете добиваться именно этой температуры», — сказал Лазаридес. «Он [кристалл времени] волшебным образом всегда будет соответствовать нужному положению, даже если вы делаете небольшие ошибки».
Еще одним отличительным признаком перехода от одной фазы к другой является нарушение физической симметрии, здесь имеется ввиду то, что законы физики одинаковы для объекта в любой момент времени и пространства. Будучи жидкостью, молекулы воды подчиняются одним и тем же физическим законам в каждой точке пространства и во всех направлениях, но достаточно охлаждают воду, чтобы она превратилась в лед, и ее молекулы будут выбирать правильные точки вдоль кристаллической структуры или решетки, чтобы устраиваться поперек. Неожиданно молекулы воды получают предпочтительные точки в пространстве, которые они могли бы занять, и другие точки они оставляют незанятвыми — пространственная симметрия воды спонтанно нарушается.
Во многом так же, как лед становится кристаллом в пространстве, нарушая пространственную симметрию, временные кристаллы становятся кристаллами во времени, нарушая временную симметрию. Сначала, перед их преобразованием в фазу кристалла времени, ряд кубитов будет испытывать непрерывную симметрию между всеми моментами времени. Но периодический цикл микроволнового луча разбивает постоянные условия, с которыми сталкиваются кубиты, на дискретные пакеты (делая симметрию, налагаемую лучом, дискретной симметрией сдвига во времени). Затем, переключаясь вперед и назад с периодом, в два раза превышающим длину волны луча, кубиты нарушают симметрию дискретного перемещения во времени, налагаемую лазером. Это первые известные нам объекты, которые могут это делать.
Вся эта странность позволяет кристаллам времени создавать новую физику, и контроль, который Сикамор предоставляет исследователям помимо других экспериментальных установок, может сделать его идеальной платформой для дальнейших исследований. Однако это не значит, что его нельзя улучшить. Как и все квантовые системы, квантовый компьютер Google должен быть полностью изолирован от окружающей среды, чтобы его кубиты не подвергались процессу, называемому декогеренцией, который, в конечном итоге, разрушает эффекты квантовой локализации, разрушая кристалл времени. Исследователи работают над совершенствованием способов изолирования своего процессора и смягчения влияния декогеренции, но маловероятно, что они устранят этот эффект навсегда.
Несмотря на это, эксперимент Google, вероятно, останется лучшим способом изучения кристаллов времени в обозримом будущем. Хотя во многих других проектах удалось создать то, что убедительно выглядит как временные кристаллы, другими способами — с алмазами, сверхтекучим гелием-3, квазичастицами, называемыми магнонами, и с конденсатами Бозе-Эйнштейна — по большей части кристаллы, полученные в этих установках, рассеиваются слишком быстро для детального изучения.
Теоретическое новшество кристаллов — это в некотором смысле палка о двух концах, поскольку физики в настоящее время пытаются найти для них четкое применение, хотя фон Кейзерлингк предположил, что их можно использовать в качестве высокоточных датчиков. Другие предложения включают использование кристаллов для лучшего хранения в памяти или для разработки квантовых компьютеров с еще более высокой вычислительной мощностью.
Но с другой стороны, наиважнейшее применение кристаллов времени, возможно, сводится к следующему: они позволяют ученым исследовать границы квантовой механики.
«Это позволяет вам не просто изучать то, что проявляется в природе, но и на самом деле спроектировать это и посмотреть, что квантовая механика позволяет вам делать, а что не позволяет», — сказал Лазаридес. «Если вы не найдете чего-то в природе, это не значит, что этого не может быть — мы только что создали одну из этих вещей».
Первоначально опубликовано на Live Science.
https://www.livescience.com/google-invents-time-crystal?utm_source=notification
Перевод и редактирование: http://protivkart.com/
Нет Комментариев