Вы, вероятно, хорошо знакомы с основными состояниями материи — твердым, жидким, газовым — которые заполняют повседневную жизнь на Земле.
Но эти три разных вида материи, каждый из которых выглядит и действует по-разному, не являются всей Вселенной — далеко не так. Ученые обнаружили (или создали) десятки более экзотических состояний материи, часто носящих мистические и причудливые названия: сверхтекучие жидкости, конденсаты Бозе-Эйнштейна и нейтронно-вырожденная материя, и это лишь некоторые из них.
В последние несколько лет физики по всему миру конструируют еще одно состояние материи: «кристалл времени». Если это похоже на техноболтовню B-movie, то это больше не техноболтовня. Используя квантовый компьютер, несколько исследователей создали кристалл времени, который, по их мнению, прочно устанавливает кристаллы времени в мире физики.
Исследователи еще официально не опубликовали свое исследование, но в прошлом месяце они разместили препринт (научную статью, которая еще не отредактирована коллегами).
Так что же такое кристалл времени? Это может звучать как критический компонент, который заставляет машину времени тикать, какой-то футуристический источник энергии или, возможно, артефакт потерянной инопланетной цивилизации. Но для ученых кристалл времени на самом деле является чем-то более тонким: любопытством к законам физики.
Что определяет любой болотный стандартный кристалл, такой как алмаз, изумруд или даже кубик льда, так это то, что атомы кристалла каким-то образом расположены в повторяющихся узорах в пространстве. Есть три измерения пространства — и четвертое измерение, время. Поэтому физики задались вопросом, могут ли атомы кристалла быть расположены в повторяющихся паттернах во времени.
На практике это работает примерно так. Вы создаете кристалл, атомы которого начинаются в одном состоянии. Если вы взорвете этот кристалл тонко настроенным лазером, эти атомы могут перевернуться в другое состояние, а затем перевернуться назад, а затем снова перевернуться и так далее, и так далее, фактически не поглощая никакой энергии от лазера.
Если вы отступите назад, то, что вы только что создали, является состоянием материи, которое постоянно находится в движении, бесконечно, не принимая никакой энергии.
Это немалый подвиг. Он противоречит одному из самых священных принципов классической физики: второму закону термодинамики. Этот закон гласит, что количество энтропии, или беспорядка, всегда имеет тенденцию к увеличению. Думайте об этом как о вазе, балансирующей на краю стола. Вселенная хочет толкнуть эту вазу и заставить ее разбиться по полу. Чтобы собрать его обратно вместе, вы должны вложить энергию.
Кристаллы времени на самом деле являются довольно новой идеей, впервые теоритезированной нобелевским лауреатом физиком Франком Вильчеком в 2012 году. Не все физики приняли эту теорию в то время, а некоторые утверждали, что второй закон термодинамики поднимет свою законническую голову.
Естественно, решительные исследователи нашли лазейки. В 2016 году физикам из Университета Мэриленда удалось собрать воедино сырой кристалл времени из коллекции атомов иттербия. Другие группы создали кристаллы времени внутри алмазов.
Но эти последние мастера кристаллов времени сделали нечто иное. Они обратились к Google и использовали квантовый компьютер: устройство, которое использует причуды квантовой механики, казалось бы, мистического вида физики, которая направляет Вселенную в мельчайших масштабах. Вместо того, чтобы использовать биты кремния, как повседневные, «классические» компьютеры, 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 в одном и для частиц взаимодействовать на, казалось бы, невозможных расстояниях становится довольно эзотерической.
«Возможность моделировать правила... становится намного сложнее» с традиционными компьютерами, говорит Габриэль Пердью, исследователь квантовых компьютеров в Fermilab, национальной лаборатории в пригороде Чикаго, которая фокусируется на физике элементарных частиц высокого класса.
Но, упорядочивая частицы в процессоре квантового компьютера, можно буквально изучать системы крошечных частиц, как если бы они были строительными блоками. Это мощная способность, и это не то, что вы увидите в неквантовом мире.
«Мы не вычисляем, знаете, как далеко заходит бейсбол... создавая миниатюрных бейсболистов и делая симуляции», — говорит Пердью. Но делать что-то очень похожее в очень маленьком масштабе, говорит он, это то, для чего исследователи использовали квантовый компьютер Google, чтобы сделать свое время кристаллом.
В этом случае физики могли бы взять атомы, переставить их, а затем импульсировать их лазером, чтобы управлять кристаллом времени. Эта установка позволила исследователям создать кристалл времени, который больше, чем любой кристалл времени до него. В то время как многие кристаллы предыдущего времени были недолговечными и распутанными в течение нескольких циклов переворачивания назад и вперед, ученые, стоящие за этим последним усилием кристаллов времени, удивляются стабильности того, что они создали.
«То, что здесь самое захватывающее, для меня, — говорит Пердью, — это демонстрация использования квантового компьютера для реального моделирования системы квантовой физики и изучения ее таким образом, который действительно новый и захватывающий».
Итак, могут ли эти кристаллы времени действительно привести к новой волне зарождающихся машин времени?
Наверное, нет. Но они могут помочь сделать квантовые компьютеры более надежными. Инженеры годами боролись за создание чего-то, что могло бы служить памятью в квантовых компьютерах; некоторые из них эквивалентны кремнию, который лежит в основе традиционных компьютеров. Кристаллы времени, считают физики, могут служить этой цели.
И этот эксперимент, говорит Пердью, также является демонстрацией способности квантовых компьютеров заниматься наукой. «Та же самая платформа, которая позволяет вам легко моделировать какой-то крутой алгоритм, — говорит он, — работает так же хорошо, и я бы сказал, еще лучше, для моделирования таких систем».