Что произошло?

В начале августа группа ученых из Google в сотрудничестве с физиками из Принстона, Стэнфорда и других университетов опубликовала препринт научной статьи (препринт — это готовая статья, которая еще не прошла рецензирование независимыми учеными для публикации в авторитетном научном журнале).

Тем не менее этот препринт натворил много шума. Исследователи утверждают, что создали кристалл времени внутри квантового компьютера. Для этого использовался экспериментальный образец Sycamore — квантовый процессор, который уже давно разрабатывают в Google.

«Последствия поразительны: вы обходите второй закон термодинамики», — заявил Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем имени Макса Планка, описывая результат работы, соавтором которой он стал.

Что такое кристалл времени?

Кристалл времени — звучит максимально волшебно. Что-то сродни мультивселенной или частице Бога. Однако если разбирать это понятие, то фэнтезийный налет исчезает. Тем не менее под ним остается корочка научной фантастики.

Кристалл времени — это не совсем кристалл в потребительском понимании, да и время в его названии не свидетельствует о путешествиях в прошлое или будущее. Речь идет о гипотетической системе, которую в 2012 году предложил физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек. Есть пространственные кристаллы. В них в трех измерениях группы атомов располагаются строгими повторяющимися узорами. Тот же алмаз — это кристаллическая фаза скопления атомов углерода в точках решетки.

Почему бы не существовать и временны́м кристаллам, в которых структура повторялась бы в четвертом измерении — времени.

Пространственные кристаллы находятся в состоянии покоя. Такой кристалл сохраняет это состояние, пока к нему не будет приложена какая-то внешняя сила или энергия. Лед — это вода, которая при определенной температуре приобретает кристаллическое строение. Нагреем лед, его частицы начнут колебаться, и он растает.

Кристаллы времени периодически меняют свое строение в повторяющемся цикле, при этом им не нужна никакая энергия — в отличие от того же льда или, например, от настенных часов. Их стрелка движется с определенной периодичностью, но стоит кончиться заряду батарейки — часы остановятся. Или даже лучше представить пружину, к которой подвесили груз. Достаточно натянуть ее и отпустить, чтобы пружина сжималась и растягивалась с определенной периодичностью. Однако эти колебания затрачивают энергию, и со временем пружина с грузом остановится.

Кристаллы времени нарушают правило, согласно которому стабильный объект остается неизменным на протяжении всего времени, находясь в тепловом равновесии — в той стадии самой низкой энергии (например, в фазе льда), которая допустима температурой окружающей среды. Кристаллы времени оказываются одновременно стабильными и постоянно изменяются с определенным интервалом, затем возвращаясь в изначальное состояние, — и так по кругу. Это словно кубик льда в воде, который в первые пять минут таял, а затем снова формировался и приобретал изначальную форму.

Звучит неправдоподобно. Идею Нобелевского лауреата Вильчека раскритиковали сразу же, как только он ее высказал. Ну не может равновесная система в своем основном состоянии колебаться, а ее строго периодические колебания в возбужденном состоянии — нонсенс.

Предпосылки существования кристаллов времени

В 2005 году три физика из университетов Принстона и Колумбии доказали, что одномерная цепочка квантовых частиц может испытывать локализацию многих тел. То есть они способны застрять в фиксированном состоянии.

Физики Родерих Месснер и Ахиллеас Лазаридис изучали периодически управляемые системы, такие как кристалл, который стимулируется лазером определенной частоты. Интенсивность лазера и сила его воздействия на систему периодически менялись.

К ним примкнули Шиваджи Сонди и Ведика Хемани. Вместе ученые решили выяснить, что происходит, если таким же образом воздействовать на локализованную систему многих тел. Расчеты и компьютерное моделирование указывали, что определенное воздействие лазером на такую систему заставит «спины» частиц переворачиваться туда-обратно между двумя локализованными состояниями многих тел. Цикл будет бесконечным и не будет потреблять какой-либо чистой энергии от лазера.

Это случилось в 2015 году. С тех пор многие исследователи по всему миру только и занимались тем, что пытались создать подобный кристалл времени. Получалось у них не очень, соблюсти все критерии было непросто.

Что сделала команда Google?

Недавно другая группа ученых заявила, что смогла превратить ионы, которые были захвачены электромагнитным полем, в «дотепловой» кристалл времени. Ионы демонстрировали циклические вариации, которые практически неотличимы от требуемого результата. Но этот «дотепловой» кристалл оказался невечным. Если эксперимент длился долго, то система со временем уравновешивалась и циклическое переключение разрушалось.

Команда Google тем временем искала, чем бы занять свой прототип квантового компьютера. Он слишком примитивен и подвержен ошибкам, чтобы запускать алгоритмы шифрования и поиска, разработанные для полноценных квантовых компьютеров. А потому в Google согласились помочь Хемани и ее коллегам.

Кубиты, которые являются основой квантовых вычислений, в квантовом компьютере Google состоят из сверхпроводящих алюминиевых полос с двумя возможными энергетическими состояниями. Все это находится внутри криостата, где поддерживается чрезвычайно низкая температура.

Исследователи воспользовались чипом на 20 кубитов, который и выступил в роли кристалла времени. Кубитам придали произвольные начальные конфигурации, рандомизировали силу взаимодействия между ними, создав интерференцию и добившись локализации многих тел. Звучит сложно. По сути, кубиты зафиксировали в заданном шаблоне ориентации, в котором они не могли выровняться.

На всю эту систему воздействовали микроволнами, которые выступили своеобразным физическим катализатором. При этом система кубитов начала менять шаблон ориентации на противоположный и обратно и застряла во временном цикле. Исследователи заверяют, что кубиты не поглощали и не рассеивали чистую энергию микроволнового лазера.

Какое у этого практическое применение?

Пока никакого. Неясно, может ли кристалл времени иметь практическое применение. Хотя кристалл и демонстрирует «вечное движение», это движение как не потребляет никакой энергии, так и не производит ее.

Теоретическая, фундаментальная физика — это не прикладная наука. Вряд ли в ближайшее время этому открытию найдется практическое применение. Стабильность кристалла времени кажется исследователям впечатляющей.

«Что-то столь стабильное, как это, необычно. А необычные вещи становятся полезными», — выражает надежду профессор Родерих Месснер.

Четан Наяк полагает, что кристаллы времени проливают свет на саму природу времени. Как бы ни пыталась физика относиться ко времени как к одному из измерений, оно всегда было в стороне от остальных. Эйнштейн сплел трехмерное пространство со временем в четырехмерную ткань. «Но даже в его теории однонаправленное время — уникально. Кристаллы времени — это первый случай из известных мне, когда время оказывается одним из членов четверки».

Впрочем, с этим согласны не все, и дискуссия в научном сообществе продолжится как до публикации препринта в рецензируемом журнале, так и после.

Возможно, создание кристаллов времени позволит ускорить прорыв в создании квантовых компьютеров от точки «никогда» до «возможно в течение нескольких десятилетий». Некоторые ученые высказывают надежду, что на их основе можно будет производить запоминающие устройства для квантовых компьютеров.

Нам же остается сетовать, что мы родились слишком поздно для исследования Земли, слишком рано для познания космоса, но как раз вовремя для мемов.

Свое место для учебы дома. Детские парты, столы, стулья для школьников в Каталоге

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. nak@onliner.by