Потусторонний ``кристалл времени '', созданный в квантовом компьютере Google, может навсегда изменить физику

Исследователи, работающие в партнерстве с Google, только что использовали квантовый компьютер для создания совершенно новой фазы материи - кристалла времени.

Обладая способностью бесконечно перемещаться между двумя состояниями без потери энергии, кристаллы времени уклоняются от одного из важнейших законов физики - второго закона термодинамики, который гласит, что беспорядок или энтропия изолированной системы всегда должна увеличиваться. Эти странные временные кристаллы остаются стабильными.

Согласно исследовательской статье, опубликованной в базе данных препринтов 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.

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.

Представьте ящик, наполненный монетами, который встряхивают миллион раз. По мере того как монеты рикошетом отскакивают друг от друга, они становятся все более хаотичными, пока тряска не прекратится, а коробка не откроется, чтобы увидеть монеты в случайном порядке. Примерно половина монет обращена вверх, а половина - вниз. 

Внутри «коробки» Google Sycamore мы можем видеть кубиты квантового процессора так 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.  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. 

Как будто он запоминает, как он выглядел изначально, и повторяет этот шаблон с течением времени.

В этом смысле кристалл времени подобен маятнику, который никогда не перестает раскачиваться.

Даже если вы полностью физически изолируете маятник от Вселенной, чтобы не было трения и сопротивления воздуха, он в конечном итоге остановится. И это из-за второго закона термодинамики. Энергия изначально сконцентрирована в центре масс маятника.

В квантовом мире объекты одновременно ведут себя и как точечные частицы, и как маленькие волны, 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. Укоренившись на месте, неспособная двигаться, изменять состояния или термализоваться вместе со своим окружением, частица становится локализованной.

Исследователи использовали этот процесс локализации как основу 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 в течение десятков тысяч прогонов и остановились в разных точках, чтобы записать состояния, в которых находились их кубиты. Они обнаружили, что их набор кубитов переключался между двумя конфигурациями, а кубиты не были поглощают тепло от микроволнового луча - они сделали кристалл времени.

Они также увидели ключевой 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 точным 180 градусам, необходимым для идеального поворота, но немного отличался от них, кубиты все равно переходили в другое состояние.

Еще одним отличительным признаком перехода от одной фазы к другой является нарушение физической симметрии, идея о том, 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 когда охлаждают воду, чтобы она превратилась в лед, и ее молекулы выбирают правильные точки вдоль кристаллической структуры или решетки, и устраиваются поперек. Внезапно молекулы воды получают предпочтительные точки в пространстве, которые они могли бы занять, и они тогда оставляют другие точки пустыми - пространственная симметрия воды спонтанно нарушена.

Вся эта странность делает кристаллы времени богатыми на новую физику. 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 способами лучше изолировать свой процессор и смягчить влияние 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.

Их можно использовать в качестве высокоточных датчиков, лучшего хранения памяти или для разработки квантовых компьютеров с еще более высокой вычислительной мощностью.

Но с другой стороны, величайшее применение кристаллов времени, возможно, уже здесь: они позволяют ученым исследовать границы квантовой механики.

Статья первоначально опубликована на Live Science.

Источник: vk.com

Комментарии: