Кристалл времени созданный в квантовом компьютере может навсегда изменить физику

Исследователи, работающие в партнерстве с Google, возможно, только что использовали квантовый компьютер технологического гиганта для создания совершенно новой фазы материи — кристалла времени.

Обладая способностью бесконечно перемещаться между двумя состояниями без потери энергии, временные кристаллы уклоняются от одного из важнейших законов физики — второго закона термодинамики, который гласит, что беспорядок или энтропия изолированной системы всегда должна увеличиваться.

Эти странные временные кристаллы остаются стабильными, сопротивляясь любому растворению в случайности, несмотря на то, что они находятся в постоянном состоянии потока. Согласно исследовательской статье, опубликованной 28 июля в базе данных препринтов arXiv, ученые смогли создать кристалл времени в течение примерно 100 секунд, используя кубиты (версия традиционного компьютерного бита для квантовых вычислений) внутри ядра квантового процессора Google Sycamore.

Существование этой причудливой новой фазы материи и совершенно нового царства физического поведения, которое она раскрывает, невероятно волнует физиков, особенно с учетом того, что существование временных кристаллов было впервые предсказано всего девять лет назад.

«Это было большим сюрпризом», — сказал Курт фон Кейзерлингк, физик из университета Бирмингема в Великобритании, который не участвовал в исследовании. «Если бы вы спросили кого-то 30, 20 или, может быть, даже 10 лет назад, они бы этого не ожидали».

Кристаллы времени — увлекательный объект для физиков, потому что они, по сути, обходят второй закон термодинамики, один из самых жестких законов физики. Он утверждает, что энтропия (грубый аналог количества беспорядка в системе) всегда увеличивается. Если вы хотите сделать что-то более упорядоченным, вам нужно вложить в это больше энергии.

Эта тенденция к разрастанию беспорядка объясняет множество вещей, например, почему легче перемешать ингредиенты в смеси, чем снова их разделять, или почему шнуры наушников так запутываются в карманах брюк.

Он также устанавливает стрелу времени: прошлая вселенная всегда более упорядочена, чем настоящая; Например, просмотр видео в обратном направлении может показаться вам странным в первую очередь потому, что вы наблюдаете парадоксальное изменение направления этого энтропийного потока.

Кристаллы времени не подчиняются этому правилу. Вместо того, чтобы медленно приближаться к тепловому равновесию — «термализации», так что их энергия или температура равномерно распределяются по всему их окружению, они застревают между двумя энергетическими состояниями выше этого состояния равновесия, циклически меняясь между ними бесконечно.

Чтобы объяснить, насколько необычно такое поведение, фон Кейзерлингк сказал, что изобразил запечатанный ящик, наполненный монетами, прежде чем его встряхивают миллион раз. По мере того, как монеты рикошетом отскакивают друг от друга и отскакивают друг от друга, они «становятся все более и более хаотичными, исследуя все виды конфигураций, которые они могут исследовать», пока тряска не прекратится, а коробка не откроется, чтобы увидеть монеты в случайном порядке. конфигурация: примерно половина монет обращена вверх, а половина — вниз.

Мы можем ожидать увидеть эту случайную конечную точку наполовину вверх, наполовину вниз независимо от того, как мы сначала разместили монеты в коробке. Внутри «коробки» Google Sycamore мы можем видеть кубиты квантового процессора так же, как и наши монеты. Точно так же, как монеты могут быть орлом или решкой, кубиты могут быть либо 1, либо 0 — двумя возможными положениями в системе с двумя состояниями — или странным сочетанием вероятностей обоих состояний, называемым суперпозицией.

Фон Кейзерлингк говорит, что странным в кристаллах времени является то, что никакие встряски или переходы из одного состояния в другое не могут переместить кубиты временного кристалла в состояние с наименьшей энергией, что является случайной конфигурацией; они могут только перевернуть его из исходного состояния во второе состояние, а затем обратно.

«Это просто шлепки», — сказал фон Кейзерлингк. «В конечном итоге он не выглядит случайным, он просто застревает. Как будто он запоминает, как он выглядел изначально, и повторяет этот шаблон с течением времени». В этом смысле кристалл времени подобен маятнику, который никогда не перестает раскачиваться.

«Даже если вы полностью физически изолировать маятник от Вселенной, чтобы не было трения и сопротивления воздуха, он в конечном итоге остановится. И это из-за второго закона термодинамики», — сказал Ахиллеас Лазаридес, физик из университета Лафборо в Великобритания, которая была среди ученых, впервые открывших теоретическую возможность новой фазы в 2015 году.

«Энергия изначально сконцентрирована в центре масс маятника, но есть все эти внутренние степени свободы — например, способы, которыми атомы могут колебаться внутри стержня, — в которые она в конечном итоге будет передана». На самом деле, у крупномасштабного объекта нет способа вести себя как кристалл времени, чтобы это не звучало абсурдно, потому что единственные правила, которые позволяют кристаллам времени существовать, — это жуткие и сюрреалистические правила, которые управляют миром очень маленьких — квантовой механикой.

В квантовом мире объекты одновременно ведут себя и как точечные частицы, и как маленькие волны, причем величина этих волн в любой заданной области пространства представляет собой вероятность обнаружения частицы в этом месте. Но случайность (например, случайные дефекты в структуре кристалла или запрограммированная случайность в силе взаимодействия между кубитами) может заставить волну вероятности частицы нейтрализовать себя повсюду, кроме одной очень маленькой области. Укоренившись на месте, неспособная двигаться, изменять состояния или термализоваться вместе со своим окружением, частица становится локализованной.

Исследователи использовали этот процесс локализации как основу своего эксперимента. Используя 20 полосок сверхпроводящего алюминия для своих кубитов, ученые запрограммировали каждую из них на одно из двух возможных состояний.

Затем, направив микроволновый луч на полоски, они смогли привести свои кубиты в перевернутое состояние; исследователи повторили эксперимент для десятков тысяч прогонов и остановились в разных точках, чтобы записать состояния, в которых находились их кубиты.

Они обнаружили, что их набор кубитов переключался между двумя конфигурациями, а кубиты не были поглощают тепло от микроволнового луча — они сделали кристалл времени. Они также увидели ключевой ключ к разгадке того, что их кристалл времени был фазой материи. Чтобы что-то считалось фазой, оно обычно должно быть очень устойчивым к колебаниям.

Твердые тела не будут плавиться, если температура вокруг них немного изменится; также незначительные колебания не приведут к внезапному испарению или замерзанию жидкостей. Таким же образом, если микроволновый луч, используемый для переключения кубитов между состояниями, был настроен так, чтобы он был близок к точным 180 градусам, необходимым для идеального поворота, но немного отличался от них, кубиты все равно переходили в другое состояние.

«Дело не в том, что если вы не будете точно на 180 градусов, вы будете их карабкать», — сказал Лазаридес. «Он [кристалл времени] волшебным образом всегда будет слегка наклоняться, даже если вы делаете небольшие ошибки». Еще одним отличительным признаком перехода от одной фазы к другой является нарушение физической симметрии, идея о том, что законы физики одинаковы для объекта в любой момент времени и пространства.

Будучи жидкостью, молекулы воды подчиняются одним и тем же физическим законам в каждой точке пространства и во всех направлениях, но достаточно охлаждают воду, чтобы она превратилась в лед, и ее молекулы будут выбирать правильные точки вдоль кристаллической структуры или решетки, чтобы устраиваются поперек.

Внезапно молекулы воды получили предпочтительные точки в пространстве, которые они могли бы занять, и они оставили другие точки пустыми — пространственная симметрия воды была спонтанно нарушена. Примерно так же, как лед становится кристаллом в пространстве, нарушая пространственную симметрию, временные кристаллы становятся кристаллами во времени, нарушая временную симметрию.

Сначала, перед их преобразованием в фазу кристалла времени, ряд кубитов будет испытывать непрерывную симметрию между всеми моментами времени. Но периодический цикл микроволнового луча разбивает постоянные условия, с которыми сталкиваются кубиты, на дискретные пакеты (делая симметрию, налагаемую лучом, дискретной симметрией сдвига во времени).

Затем, переключаясь вперед и назад с периодом, в два раза превышающим длину волны луча, кубиты нарушают симметрию дискретного перемещения во времени, налагаемую лазером. Это первые известные нам объекты, которые могут это делать. Вся эта странность делает кристаллы времени богатыми на новую физику, и контроль, который Сикамор предоставляет исследователям помимо других экспериментальных установок, может сделать его идеальной платформой для дальнейших исследований.

Однако это не значит, что его нельзя улучшить. Как и все квантовые системы, квантовый компьютер Google должен быть полностью изолирован от окружающей среды, чтобы его кубиты не подвергались процессу, называемому декогеренцией, который в конечном итоге разрушает эффекты квантовой локализации, разрушая кристалл времени.

Исследователи работают над способами лучше изолировать свой процессор и смягчить влияние декогеренции, но маловероятно, что они устранят этот эффект навсегда.

Несмотря на это, эксперимент Google, вероятно, останется лучшим способом изучения кристаллов времени в обозримом будущем. Хотя во многих других проектах удалось создать то, что убедительно выглядит как временные кристаллы, другими способами — с алмазами, сверхтекучим гелием-3, квазичастицами, называемыми магнонами, и с конденсатами Бозе-Эйнштейна — по большей части кристаллы, полученные в этих установках, рассеиваются слишком быстро, для детального изучения.

Теоретическая новизна кристаллов — это в некотором смысле палка о двух концах, поскольку физики в настоящее время пытаются найти для них четкое применение, хотя фон Кейзерлингк предположил, что их можно использовать в качестве высокоточных датчиков. Другие предложения включают использование кристаллов для лучшего хранения в памяти или для разработки квантовых компьютеров с еще более высокой вычислительной мощностью.

Но с другой стороны, величайшее применение кристаллов времени, возможно, уже здесь: они позволяют ученым исследовать границы квантовой механики. «Это позволяет вам не просто изучать то, что проявляется в природе, но и на самом деле спроектировать это и посмотреть, что квантовая механика позволяет вам делать, а что не позволяет», — сказал Лазаридес. «Если вы не найдете чего-то в природе, это не значит, что этого не может быть — мы только что создали одну из этих вещей».