Google заявил о создании кристалла времени — он меняется без затрат энергии и может стать ключом к квантовым вычислениям

Кристаллы времени будто обходят законы термодинамики, периодически изменяя своё состояние без притока энергии извне.

Исследователи из Google вместе с учёными из Принстона, Стэнфорда и других университетов опубликовали предварительный вариант научной статьи, в которой описали создание кристалла времени внутри квантового компьютера. Один из авторов статьи отметил, что созданный кристалл времени имеет «поразительное свойство — он словно уклоняется от второго начала термодинамики».

Что такое кристаллы времени

Идею кристаллов времени (time crystal) предложил американский физик Фрэнк Вильчек в 2012 году по аналогии с обычными, «пространственными» кристаллами. Обычные кристаллы вроде поваренной соли, алмазов, льда — это структуры, чей «рисунок» периодически повторяется в пространстве в виде группы атомов или молекул.

Кристаллическая структура одной из модификаций водяного льда Изображение Getty

Вильчек предположил, что может существовать форма материи, структура которой повторяется не в пространстве, а во времени. В качестве грубой аналогии можно привести груз, подвешенный на пружине — если растянуть её и отпустить, то пружина с грузом будет периодически менять своё состояние с натянутой на сжатую и обратно. Таким образом, её «рисунок» повторяется во времени.

Пружина с грузом меняет своё состояние через определённые промежутки времени Изображение Wikimedia

Однако колебания пружины тратят энергию и потому со временем затухают, если периодически не растягивать её снова и снова. Этим любые маятники и прочие осцилляторы принципиально отличаются от кристаллов времени — последние меняют своё состояние без затрат энергии и потому могут «колебаться» бесконечно. Так не умеют вести себя даже квантовые поля — они при колебаниях «берут энергию взаймы» у вакуума.

«Запретная» форма материи, которая будто бы идёт вразрез с термодинамикой

«Пространственные» кристаллы состоят из частиц с минимальной энергией — они почти неподвижны и потому кристаллическая структура остаётся стабильной. Если «закачивать» в эту структуру энергию — частицы начнут колебаться всё сильнее и «расшатывать» структуру, пока она не распадётся. Поэтому, например, лёд и металл плавятся при нагреве.

Одна из визуализаций кристалла времени

Кристалл времени тоже имеет минимум энергии — но при этом он периодически меняет своё состояние. Он как снежинка с шестью лучами, которая через определённые промежутки времени превращается в снежинку с десятью лучами и обратно — без всякого нагрева, без обмена энергией с внешней средой.

Эта особенность кристалла времени противоречит законам термодинамики — они утверждают, что материя не может изменить своё состояние или начать движение без затрат энергии и без притока энергии извне.

Более того, кристалл времени может «игнорировать» приток энергии извне, как бы подстраивая его под себя. Например, если он меняет своё состояние каждые 20 секунд и на него светят лазером каждые 10 секунд — кристалл времени будет реагировать на лазер каждые 20 секунд или даже каждые 40 секунд. Словно желе, которое вздрагивает в ответ на каждый второй или каждый четвёртый тычок, а не на все подряд, как подобает нормальному желе.

Сначала учёные посчитали это слишком фантастичным и стали публиковать работы, в которых доказывали невозможность кристаллов времени. Но вскоре в их доказательствах нашли слабые места, а в 2016 году учёные впервые получили кристалл времени на практике — в виде кольца из ионов иттербия, охлажденных почти до абсолютного нуля.

Примерный вид первого созданного кристалла времени — по кольцу ионов периодически пробегала «волна», как по трибунам стадиона, без какой-либо стимуляции извне Изображение Мэрилендского университета

Кристаллы времени удалось создать и в 2017 году двум независимым группам учёных — впрочем, все они лишь частично соответствовали необходимым критериям. Тогда как исследователи из Google, предположительно, создали первый полноценный кристалл времени: множество частиц внутри их квантового компьютера периодически и согласованно меняли состояние без потребления энергии.

«Рецепт» кристалла времени от Google, который можно реализовать только в квантовом компьютере Изображение Quanta Magazine

Как учёные объясняют существование кристаллов времени и что они могут дать человечеству

Физики сходятся во мнении, что кристаллы времени всё же не нарушают законов термодинамики — их энергия не меняется, а изменение состояния не совершает никакой работы. Частицы кристалла времени, по сути, не двигаются — поэтому к нему нельзя подключить какой-либо механизм и получить вечный двигатель.

Однако кристаллы времени настолько необычны, что в природе их, скорее всего, не существует. Потенциал этой формы материи пока непонятен до конца, но уже сейчас учёные предполагают, что кристаллы времени можно использовать для сверхточных часов и гироскопов. Также с их помощью можно будет решить проблему декогеренции — «утечки» квантовой информации в окружающую среду, которая сейчас не даёт создать полноценные работающие квантовые процессоры и память.

Источник: tjournal.ru

Комментарии: