Что такое кристаллы времени и почему ученые ими одержимы?

О чем вы думаете когда слышите о кристаллах времени? Мне сразу представляется что-то наподобие тессеракта из мультивселенной Марвел или очередное безумное изобретение гениального Рика из «Рик и Морти». Только представьте – таинственные кристаллы времени, способные перенести их обладателя как в прошлое, так и в будущее. Но, я, конечно, пересмотрела научной фантастики и в реальности кристаллы времени или кристаллы Вильчека не способны перемещать кого-либо или что-либо во времени. И все же, физики ими буквально одержимы. Причина этой одержимости на самом деле проста: по сути, кристалл времени – это особая фаза материи, которая постоянно меняется, но, похоже, не использует энергии. Только представьте, объект, части которого движутся в регулярном, повторяющемся цикле, поддерживает это постоянное изменение без сжигания какой-либо энергии. Вообще. Кристаллы времени также являются первыми объектами, которые спонтанно нарушают «симметрию перемещения во времени» – обычное правило, согласно которому стабильный объект будет оставаться неизменным на протяжении всего времени. Кристаллы времени одновременно стабильны и постоянно меняются через определенные промежутки времени.

Что такое «кристаллы времени»?

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек предположил существование нового типа кристалла. Так как большинство кристаллов имеют повторяющуюся в двух или трех измерениях структуру, Вильчек представил иную концепцию кристалла, структура которого воспроизводится четырежды: три из них соответствуют измерениям пространства, а четвертое — измерению времени.

Если вы думаете о кристаллах в пространстве, то вполне естественно также подумать о классификации поведения кристаллов во времени, – говорил он тогда.

Так как новой структуре требовалось название, Вильчек обозначил ее «кристаллом времени». И эта история, вероятно, так бы и осталась гипотетической, если бы в 2018 году ученые не поняли, как эти необычные структуры можно синтезировать в лабораторных условиях. Сегодня физики считают, что кристаллы времени могут формироваться в естественной среде, а сам процесс намного проще, чем предполагали большинство исследователей.

На самом деле многие называют временные кристаллы удачей для человечества, так как их можно использовать в практических целях, например, при создании сверхточных атомных часов, гироскопов и других устройств. А еще они представляют мощнейший потенциал для развития квантовых компьютеров.

Таким образом, кристалл времени – это новая категория фаз материи, расширяющая определение того, что такое «фаза». Все другие известные фазы, такие как вода или лед, находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы перешли в состояние с наименьшей энергией, допускаемой температурой окружающей среды, и их свойства не меняются со временем.

А вот кристалл времени — это первая фаза «выхода из равновесия»: он обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбужденном и развивающемся состоянии.

Кристаллы Вильчека предлагают совершенно новый взгляд на эти объекты

Интересно и то, что кристаллы времени также являются первыми объектами, которые спонтанно нарушают «симметрию перемещения во времени» – обычное правило, согласно которому стабильный объект будет оставаться неизменным на протяжении всего времени. Временной кристалл одновременно стабилен но при этом постоянно меняется не поглощая никакой энергии.

Немного квантовой механики

Рассмотрим алмаз – кристаллическую фазу скопления атомов углерода. Скопление управляется одними и теми же уравнениями повсюду в пространстве, но оно принимает форму, которая имеет периодические пространственные изменения, с атомами, расположенными в точках решетки. Физики говорят, что таким образом происходит «спонтанное нарушение симметрии переноса пространства» – только состояния равновесия с минимальной энергией спонтанно нарушают пространственную симметрию таким образом.

По сути, Вильчек представил себе многокомпонентный объект в равновесии, очень похожий на алмаз. Но этот объект нарушает симметрию перемещения во времени: он подвергается периодическому движению, возвращаясь к своей первоначальной конфигурации через регулярные промежутки времени.

При этом изначально предложенный Вильчеком временной кристалл сильно отличался, скажем, от настенных часов — объекта, который также подвергается периодическому движению. Стрелки часов сжигают энергию и останавливаются, когда садится батарея. Кристалл времени Вильчека работает бесконечно, поскольку система находится в своем сверхстабильном равновесном состоянии.

Понять что такое кристаллы времени сложно. Но физики любят решать сложные задачи

Итак, давайте представим ряд частиц, каждая из которых имеет магнитную ориентацию (спин), которая указывает вверх, вниз или с некоторой вероятностью в обоих направлениях. Теперь представим, что первые четыре вращения изначально направлены вверх, вниз, вниз и вверх. Спины будут квантово механически колебаться и быстро выравниваться, если смогут.

Но случайное взаимодействие между ними может привести к тому, что ряд частиц застрянет в своей определенной конфигурации, не в состоянии перестроиться или установить тепловое равновесие. Они будут указывать вверх, вниз, вниз и вверх бесконечно.

Как недавно обнаружили исследователи, локализованные системы со многими телами могут демонстрировать особый порядок, который станет вторым ключевым компонентом кристалла времени: если перевернуть все вращения в системе (в нашем примере вниз, вверх, вверх и вниз), мы получим другое стабильное локализованное состояние со многими телами. Более того, недавно исследователям удалось поместить кристаллы времени в квантовый компьютер.

Кристаллы времени и квантовые компьютеры

Важно понимать, что кристаллы времени, как и другие квантовые явления, нарушают некоторые известные физические законы – в частности, первый закон движения Исаака Ньютона. И если ученым действительно удалось поместить кристаллы Вильчека в квантовый компьютер – как указано в препринте научной работы – их открытие может изменить мир всего за одну ночь.

Да-да, кристаллы времени способны в корне изменить правила игры для квантовых компьютеров. В конце концов, они работают на самом важном молекулярном и даже частичном уровне, извлекая выгоду из таких идей, как прохождение электронов вокруг твердых материалов (буквально, что такое электричество!), и, по-хорошему, представляют собой огромную проблему для ученых.

Кристаллы времени и квантовые компьютеры могут изменить мир

На более практическом уровне существуют способы, с помощью которых квантовые компьютеры предлагают особый доступ к идеям, с которыми традиционные электронные компьютеры просто не могут справиться. Именно здесь вступают в игру кристаллы времени – если последующая экспертная оценка покажет, что выводы авторов нового исследования является достоверными.

Электронные компьютеры, подобные тому, на котором вы, возможно, читаете эту статью, используют логические элементы, которые включаются и выключаются, поэтому все в вашем компьютере зависит только от двух состояний: включено и выключено, светло и темно, 1 и 0, словом, вся двоичная система. Введение кубитов (квантовых битов, которые часто представляют собой один атом элемента с тщательно контролируемым электроном) еще сильнее усложняет ситуацию, как за счет добавления большего количества возможных состояний (а не просто вкл-выкл), так и за счет добавления всей основы квантовой неопределенности.

Теперь представьте, что число от 1 до 100 на самом деле является результатом чего-то вроде плана создания вечного двигателя. На самом деле существуют тысячи, миллионы или даже больше возможностей. Вместо того чтобы пытаться «заставить» двоичный компьютер выполнять работу неудобным способом, квантовый компьютер мог бы помочь ученым более естественно представить, что происходит.

Команда Google и еще 100 ученых из разных стран трудятся над созданием квантового компьютера

Именно здесь кристаллы времени открывают море возможностей, а не только квантовые вычисления кубитов. Кристаллы времени стабильны, но пульсируют с интересными интервалами, что означает, что они могут помочь ученым изучать такие вещи, как повторяющиеся закономерности или случайные числа — с аналогичными последствиями в естественных науках и за их пределами.

Как ученые создали кристаллы времени

В ходе нового исследования группа из более чем 100 ученых со всего мира работала вместе с командой Google Quantum AI (совместной инициативой Google, НАСА и некоммерческой ассоциации космических исследований университетов, цель которой – ускорить исследования в области квантовых вычислений и компьютерных наук). В статье ученые описывают создание специальной микроскопической установки, в которой временной кристалл окружен сверхпроводящими кубитами.

Квантовый компьютер находится внутри криостата, который представляет собой камеру переохлаждения с регулируемой температурой, которая поддерживает все материалы при правильной, чрезвычайно низкой температуре для продвинутых состояний, таких как сверхпроводящие или кристаллы Вильчека.

Возможно в самом ближайшем будущем будут созданы невероятно быстрые и мощные квантовые компьютеры

Как пишет Quanta Mafgazine, если выводы исследователей подтвердятся, то это будет первая полностью успешная демонстрация кристалла времени. В целом же, неудивительно, что Google возглавляет движение в направлении мощных квантовых вычислений, ну а мы с вами будем ждать экспертной оценки и дальнейших исследований. Кто знает, может быть кристаллы времени и квантовые компьютеры и правда многое изменят.