Квантовые временные кристаллы – это не что иное, как новая «фаза материи», о которой уже несколько лет теоретизируют специалисты. Группа ученых в сотрудничестве с лабораторией квантовых вычислений Google заявляет, что они создали первый в мире «Кристалл времени» внутри квантового компьютера.
Если бы вы сегодня выпили кофе из Starbucks, возможно, вы попросили бы немного молока или сливок, которые, в конечном итоге, растворятся в кофе, вместо того, чтобы оставаться сверху, позволяя всей системе прийти в равновесие. Это непреодолимое стремление к тепловому равновесию, описанное во втором законе термодинамики, отражает тот факт, что все вещи имеют тенденцию двигаться к менее полезным, случайным состояниям. Со временем системы неизбежно вырождаются в хаос и беспорядок, то есть в энтропию. Вроде как жизнь. Все начинается отлично, потом все идет к черту. Но, что, если случится что-то, что перевернет все с ног на голову? Что, если молоко или сливки не смешались. Что, если бы они так и остались наверху?
Согласно отчету на ZDNet.com, в новом исследовательском документе ученые Google утверждают, что использовали квантовый процессор для полезного научного приложения: для наблюдения за настоящим кристаллом времени. Если «Кристалл времени» звучит как фантастика, то это потому, что это действительно так. Кристаллы времени – это не что иное, как новая «фаза материи», которую уже несколько лет ученые исследуют теоретически как новое состояние, которое потенциально может пополнить ряды твердых тел, жидкостей, газов, кристаллов и так далее.
Как вы понимаете, кристаллы времени неуловимы – они не стоят на углу улицы в ожидании, когда их найдут. Но, ученые из корпорации Google теперь заявляют, что их результаты устанавливают «масштабируемый подход» к изучению временных кристаллов на современных квантовых процессорах, сообщает ZDNet.com. Чтобы понять, чем интересны временные кристаллы, требуется немного знаний в области физики – в частности, знание второго закона термодинамики, который гласит, что системы естественным образом имеют тенденцию приходить в состояние, известное как «максимальная энтропия».
Вернемся к чашке кофе. Ученые утверждают, что кристаллы времени не достигают теплового равновесия. Вместо того, чтобы медленно деградировать в сторону случайности, они застревают в двух высокоэнергетических конфигурациях, между которыми они постоянно переключаются – и этот возвратно-поступательный процесс может продолжаться бесконечно.
Чтобы лучше объяснить это, ZDNet.com поговорил с Куртом фон Кейзерлингком, преподавателем школы физики и астрономии в Университете Бирмингема, который, правда, не участвовал в последнем эксперименте Google. Начнем с мысленного эксперимента: возьмите ящик в замкнутой системе, изолированной от остальной вселенной, загрузите в него пару десятков монет и встряхните миллион раз. По словам фон Кейзерлингка, когда монеты переворачиваются, падают и отскакивают друг от друга, они беспорядочно меняют позиции и их состояние становится все более хаотичным. Ожидается, что при открытии коробки вы увидите примерно половину монет на стороне аверса, а половину – на стороне реверса. При этом не имеет значения, на какой стороне лежали монеты при начале эксперимента: система забывает, какой была первоначальная конфигурация, и по мере встряхивания она становится все более случайной и хаотичной.
Рассмотрим квантовый процессор Google Sycamore, который хорошо известен своими достижениями и теперь ищет какое-то полезное приложение для квантовых вычислений, сообщает ZDNet.com. «Квантовый процессор по определению является идеальным инструментом для воспроизведения квантово-механической системы», – говорит фон Кейзерлингк.
В этом сценарии команда Google представила монеты в коробке с кубитами (единицами квантовой информации), вращающимися вверх и вниз в замкнутой системе; и вместо того, чтобы встряхивать коробку, они применили набор определенных квантовых операций, которые могут изменить состояние кубитов, которые они повторяли много раз.
Вот где кристаллы времени бросают вызов всем ожиданиям. Глядя на систему после определенного количества операций или встряхиваний, можно обнаружить, что конфигурация кубитов не случайна, а скорее похожа на исходную. «Первый ингредиент, из которого состоит кристалл времени, – это то, что он помнит, что делал изначально. Он не забывает», – говорит фон Кейзерлингк, – «Система «монеты в коробке» об этом забывает, а система с кристаллами времени – нет».
На этом странности не заканчиваются. Встряхните систему четное количество раз, и вы получите конфигурацию, аналогичную исходной, но встряхните ее нечетное количество раз, и вы получите еще одну настройку, в которой решки перевернуты на сторону орла. Ученые называют это нарушением симметрии времени – вот почему так называются временные кристаллы, сообщает ZDNet.com.
В отличие от монет в шкатулке, которые запутались и оседают примерно на половину решкой и наполовину орлом, они нарушают закон энтропии, застревая в особом состоянии кристалла времени. Второй закон термодинамики гласит, что этого просто не может произойти, но временные кристаллы, похоже, не обращают внимания на энтропию. Задумайтесь над этим на мгновение.
Кристаллы времени вызывают интерес с 2012-го года, когда о них начал думать лауреат Нобелевской премии профессор Массачусетского технологического института Франк Вильчек; и эта теория неоднократно опровергалась, обсуждалась и снова опровергалась. Только в прошлом месяце команда из Делфтского технологического университета в Нидерландах опубликовала предпечатную версию, показывающую, что они построили кристалл времени в алмазном процессоре, хотя и меньшую систему, чем та, о которой заявляет Google. Конечно, есть некоторые предостережения. Как и все квантовые компьютеры, процессор Google по-прежнему страдает от декогеренции, которая может вызвать распад квантовых состояний кубитов.
И одно можно сказать наверняка: кристаллы времени не будут находиться в наших жилых комнатах в ближайшее время, поскольку ученым еще предстоит найти для них однозначно полезное применение. Тем не менее, если то, что сделал квантовый компьютер Google, может быть воспроизведено, тогда кристаллы времени не просто реальны, но они действительно могут быть использованы в реальном мире.
Трудно вообразить последствия такой технологии только для компьютерной памяти, а тем более для самой компьютерной обработки. Статья о кристалле времени остается в предварительной печати и по-прежнему требует экспертной оценки.
DAVE MAKICHUK
Источники: ZDNet.com, TechRadar.com, NewScientist, Craffic.co