Вероятно, вам хорошо известны базовые состояния материи: твёрдое, жидкое и газообразное, которыми наполнены наши земные будни. Но эти три типа материи, разные по виду и свойствам, — не единственные, существующие во Вселенной, далеко не единственные. Учёные обнаружили, (или создали) десятки более экзотических состояний материи, часто носящих мистические и причудливые имена: сверхжидкости, конденсаты Бозе-Эйнштейна, вырожденные газы — лишь некоторые из них.
Последние несколько лет физики по всему миру конструируют ещё одно состояние материи — «кристалл времени». Если это кажется вам техночушью, то это больше не так. Воспользовавшись квантовым компьютером, несколько исследователей создали кристалл времени, который, как они полагают, обеспечивает таким кристаллам прочное место в мире физики.
Учёные ещё не опубликовали результаты своего исследования формально, но в прошлом месяце они разместили препринт статьи на вебсайте ArXiV.
Так что что же такое кристалл времени на самом деле? Может показаться, что это — критически важный компонент, управляющий машиной времени, футуристический источник энергии или артефакт исчезнувшей цивилизации инопланетян. Но для учёных кристалл времени представляет собой нечто более тонкое — курьёз законов физики.
Определяющим для любого кристалла болотного стандарта, такого как алмаз, изумруд или просто кубик льда, является то, что атомы кристалла образуют в пространстве определённый повторяющийся мотив. Существует три измерения пространства и четвёртое — время. Таким образом, физики задумались, можно ли выстроить из атомов кристалла мотив, повторяющийся во времени.
С практической точки зрения работает это так. Вы создаёте кристалл, атомы которого находятся в одном состоянии. Если вы пропустите через этот кристалл луч хорошо настроенного лазера, эти атомы могут перейти в другое состояние, а потом перестроиться обратно, и так далее, и при этом они фактически не абсорбируют энергию лазера.
Если сделать шаг назад и присмотреться, то вы увидите, что вы только что создали состояние материи, которое находится в постоянном, бесконечном движении, совершенно не получая никакой энергии.
Это вам не шутка. Это нарушает один из сакраментальных постулатов классической физики — второй закон термодинамики. Этот закон гласит, что количество энтропии, то есть беспорядка, имеет тенденцию к постоянному увеличению. Представьте себе вазу, покачивающуюся на краю стола. Вселенная хочет столкнуть вазу и разбить её на кусочки. Чтобы снова собрать из кусочков вазу, вам потребуется затратить энергию.
Вообще-то, кристаллы времени — относительно новая идея, впервые предложенная в качестве теории обладателем Нобелевской премии по физике Фрэнком Вильчеком в 2012 году. В то время не все физики приняли эту теорию, при этом некоторые из них заявляли, что второй закон термодинамики опять скажет своё законодательное «фи!»
Естественно, упрямые исследователи нашли лазейки. В 2016 году физики из Университета штата Мэриленд умудрились сварганить грубый кристалл времени из атомов иттербия. Другие исследовательские группы создали кристаллы времени внутри алмазов.
Но в нашем, последнем случае, умельцы в области кристаллов времени сделали нечто иное. Они обратились к Google и воспользовались квантовым компьютером — устройством, которое пользуется преимуществами, которые предоставляют закидоны квантовой механики, вроде как мистической области физики, которая управляет Вселенной на самых миниатюрных уровнях. Вместо кусочков кремния, используемых в обычных, «классических» компьютерах, квантовые компьютеры работают напрямую с атомами или частицами. Это позволяет физикам проводить эксперименты, которые были бы мучительно сложными при использовании традиционных компьютеров, так как квантовая физика, позволяющая частицам существовать в разных положениях одновременно или взаимодействовать на, казалось бы, невозможных расстояниях, бывает весьма мудрёной.
Используя традиционные компьютеры «имитировать правила …становится очень сложно», — говорит Гэбриел Пердю (Gabriel Perdue), специалист по квантовым компьютерам из национальной лаборатории Fermilab, занимающейся физикой элементарных частиц высшего уровня.
Но, расположив частицы в процессоре квантового компьютера, можно в буквальном смысле исследовать системы крохотных частиц, словно кирпичики. Это очень серьёзные возможности, и в неквантовом мире вы такое редко увидите.
«Знаете, нам не нужно создавать миниатюрных бейсболистов и выстраивать модели, чтобы вычислить как далеко полетит бейсбольный мячик, — говорит Пердю. — Но, чтобы создать свой кристалл времени, учёные использовали квантовый компьютер Google и сделали нечто подобное в очень мелком масштабе».
В данном случае, физики могли брать атомы, переставлять их, затем пропускать сквозь них пульсирующий луч лазера, чтобы управлять кристаллом времени. Такая система позволила исследователям создать кристалл времени большего размера, чем любой созданный ранее кристалл времени. В то время как многие предыдущие кристаллы времени существовали недолго и после нескольких циклов туда-обратно рассыпались, учёные, создавшие этот новый кристалл времени, удивились тому, насколько стабильно их творение.
«Самое замечательное для меня здесь то», — говорит Пердю, — что мы продемонстрировали использование квантового компьютера для фактической имитации квантовой системы и её изучения таким новаторским образом».
Итак, способны ли эти кристаллы времени действительно привести к появлению машин времени?
Вероятно, нет. Но они могут помочь сделать более устойчивые квантовые компьютеры. Разработчики годами боролись за то, чтобы создать нечто, способное послужить в качестве памяти для квантовых компьютеров, некий эквивалент кремния, который лежит в основе традиционных компьютеров. Физики полагают, что кристаллы времени могут справиться с этой задачей.
Пердю говорит, что этот эксперимент также демонстрирует мощь квантовых компьютеров на службе науке. «Та же платформа, которая упрощает вам жизнь, когда нужно смоделировать какой-нибудь классный алгоритм, — говорит он, — работает так же хорошо, и я бы даже сказал лучше, при моделировании систем такого рода».
Автор статьи — Рауль Рао (Rahul Rao).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Вам также может быть интересно: