Вы, вероятно, хорошо знакомы с основными состояниями материи - твердым, жидким, газообразным - которые наполняют повседневную жизнь на Земле.
Но эти три различных вида материи, которые выглядят и ведут себя по-разному, не являются всей Вселенной - это далеко не так. Ученые открыли (или создали) десятки более экзотических состояний материи, часто носящих мистические и причудливые названия: сверхтекучие жидкости, конденсаты Бозе-Эйнштейна, нейтронно-дегенеративная материя и другие.
В последние несколько лет физики всего мира занимаются созданием другого состояния материи - "кристалла времени". Используя квантовый компьютер, несколько исследователей создали кристалл времени, который, по их мнению, прочно утвердил кристаллы времени в мире физики.
Исследователи еще официально не опубликовали свое исследование, но в прошлом месяце они разместили "препринт" (научную статью, которая еще не прошла экспертную оценку) на сайте ArXiV.
Так что же такое кристалл времени? Может показаться, что это критический компонент, который заставляет работать машину времени, какой-то футуристический источник энергии или, возможно, артефакт потерянной инопланетной цивилизации. Но, по мнению ученых, кристалл времени - это нечто более тонкое: диковинка, нарушающая законы физики.
Любой стандартный кристалл - алмаз, изумруд или даже кубик льда - определяется тем, что атомы кристалла каким-то образом расположены в повторяющихся узорах в пространстве. Существует три измерения пространства и четвертое измерение - время. Поэтому физики задались вопросом, могут ли атомы кристалла быть расположены в повторяющихся узорах во времени.
На практике это работает примерно так. Вы создаете кристалл, атомы которого находятся в одном состоянии. Если вы облучаете этот кристалл лазером с точной настройкой, эти атомы могут переходить в другое состояние, затем снова переходить, затем снова переходить и так далее, и все это без фактического поглощения энергии лазера.
Если сделать шаг назад, то окажется, что вы только что создали состояние материи, которая находится в вечном движении, бесконечно долго, не принимая никакой энергии.
Это не маленький подвиг. Это противоречит одному из самых священных постулатов классической физики: второму закону термодинамики. Этот закон гласит, что количество энтропии, или беспорядка, всегда имеет тенденцию к увеличению. Представьте себе вазу, стоящую на краю стола. Вселенная хочет столкнуть вазу и заставить ее разбиться об пол. Чтобы собрать ее обратно, нужно приложить энергию.
Кристаллы времени - это довольно новая идея, впервые она была выдвинута нобелевским лауреатом по физике Франком Вильчеком в 2012 году. В то время не все физики согласились с этой теорией, некоторые утверждали, что второй закон термодинамики встанет на дыбы.
Естественно, решительные исследователи нашли лазейки. В 2016 году физикам из Университета Мэриленда удалось собрать грубый кристалл времени из набора атомов иттербия. Другие группы создали кристаллы времени внутри алмазов.
Но эти последние искатели кристаллов времени поступили иначе. Они обратились к Google и использовали квантовый компьютер: устройство, которое использует причуды квантовой механики, кажущейся мистической физики, которая управляет Вселенной в мельчайших масштабах. Вместо того чтобы использовать кусочки кремния, как в обычных, "классических" компьютерах, квантовые компьютеры работают непосредственно с атомами или частицами. Это позволяет физикам проводить эксперименты, которые могут быть мучительно трудными с традиционными компьютерами, поскольку квантовая физика, которая позволяет частицам быть несколькими вещами одновременно и взаимодействовать на, казалось бы, невозможных расстояниях, довольно эзотерична.
"Возможность моделировать правила... становится намного сложнее" с традиционными компьютерами, говорит Габриэль Пердью, исследователь квантовых компьютеров в Фермилабе, национальной лаборатории в пригороде Чикаго, которая занимается физикой элементарных частиц.
Но, упорядочивая частицы в процессоре квантового компьютера, можно буквально изучать системы крошечных частиц, как будто они являются строительными блоками. Это мощная способность, и ее нечасто встретишь в неквантовом мире.
"Мы не вычисляем, например, как далеко летит бейсбольный мяч... создавая миниатюрных бейсболистов и проводя моделирование", - говорит Пердью. Но, по его словам, сделать нечто подобное в очень малых масштабах - это то, для чего исследователи использовали квантовый компьютер Google, чтобы сделать свой кристалл времени.
В этом случае физики могли брать атомы, переставлять их, а затем воздействовать на них лазером, чтобы привести в движение кристалл времени. Эта установка позволила исследователям создать кристалл времени, который больше, чем любой другой кристалл времени до него. В то время как многие предыдущие кристаллы времени были недолговечными и распутывались в течение нескольких циклов переворачивания туда-сюда, ученые, создавшие этот последний кристалл времени, восхищаются стабильностью того, что они создали.
"Для меня самое интересное здесь то, - говорит Пердью, - что это демонстрация использования квантового компьютера для моделирования системы квантовой физики и ее изучения, что является действительно новым и захватывающим способом".
Итак, могут ли эти кристаллы времени действительно привести к новой волне зарождающихся машин времени?
Скорее всего, нет. Но они могут помочь сделать квантовые компьютеры более надежными. Инженеры годами пытались создать что-то, что могло бы служить памятью в квантовых компьютерах; некий эквивалент кремния, который лежит в основе традиционных компьютеров. Кристаллы времени, по мнению физиков, могут служить этой цели.
И этот эксперимент, по словам Пердью, также является демонстрацией возможностей квантовых компьютеров для научной работы. "Та же платформа, которая позволяет легко моделировать какой-нибудь крутой алгоритм, - говорит он, - работает так же хорошо, а я бы сказал, даже лучше, для моделирования такого рода систем".