Физики создали самый большой в истории кристалл времени
Физики из Австралии запрограммировали квантовый компьютер создать — или, по крайней мере, смоделировать — кристалл времени рекордного размера — систему квантовых частиц, которая замыкается на вечный цикл во времени.
Читайте «Хайтек» в
Новый кристалл времени состоит из 57 квантовых частиц, что более чем в два раза превышает размер кристалла времени из 20 частиц, смоделированного в прошлом году учеными из Google. По словам Четана Наяка, специалист по конденсированным средам в Microsoft, он настолько велик, что ни один обычный компьютер не может его смоделировать. Наяк подчеркнул, что это выдающееся достижение.
Работа показывает способность квантовых компьютеров моделировать сложные системы, которые в противном случае могли бы существовать только в теориях физиков.
Идея кристалла времени возникла 10 лет назад, когда Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике — теоретик из Массачусетского технологического института, размышлял о поразительном пространственном расположении атомов в обычном кристалле. Узор явно не определяется уравнениями для сил между атомами, которые, казалось бы, позволяют любому атому находиться где угодно с равной вероятностью. Скорее всего, он возникает спонтанно, если атомы достаточно охлаждаются. Как только несколько атомов прижимаются друг к другу, положение следующего становится предсказуемым, и возникает закономерность, которая только подразумевается в силах.
Вильчек задавался вопросом, может ли произойти что-то подобное со временем. Он представил себе систему квантовых частиц, взаимодействующих через силы, не изменяющиеся во времени, которым каким-то образом удается выполнять некоторую циклическую эволюцию даже в самом низком энергетическом состоянии. Это оказалось невозможным. Однако в 2016 году две разные группы ученых вновь обратились к этому предположению, рассмотрев систему, неоднократно подвергавшуюся воздействию какого-либо внешнего стимула. Они обнаружили, что при правильных условиях система может зафиксироваться в схеме изменений с течением времени, которая повторяется с другой, более низкой частотой, чем стимул. Эта более низкая частотная характеристика является типичной чертой кристалла времени.
Система состоит из цепочки крошечных квантово-механических магнитов, которые могут указывать вверх, вниз или, учитывая странные правила квантовой механики, в обе стороны одновременно. В цепочке соседние магниты имеют тенденцию ориентироваться в противоположных направлениях, чтобы снизить свою энергию, в то время как случайно выбранное локальное магнитное поле заставляет каждый магнит склоняться больше в ту или иную сторону. Постоянный поток магнитных импульсов также периодически переворачивает магниты вверх вниз и наоборот. Идея состоит в том, что при правильных условиях любая конфигурация магнитов будет переворачиваться снова и снова, один раз на каждые два импульса. Экспериментаторы продемонстрировали этот процесс в самых разных системах: от электронов в алмазе до ионов, пойманных в ловушку, до квантовых битов или кубитов в квантовом компьютере.
Филипп Фрей и Стефан Рэйчел, теоретики из Мельбурнского университета, предположили гораздо более масштабную демонстрацию кубитов. Они выполнили моделирование удаленно, используя квантовые компьютеры, созданные и управляемые IBM в Соединенных Штатах. Кубиты, которые могут быть установлены на 0 и 1 или 1 и 0 одновременно, можно запрограммировать так, чтобы они взаимодействовали как магниты. Исследователи обнаружили, что при определенных настройках их взаимодействия любая начальная настройка 57 кубитов, например 01101101110… — остается стабильной, возвращаясь в исходное состояние каждые два импульса.
«На первый взгляд, это наблюдение может показаться немного ошеломляющим. В конце концов, если бы магниты не взаимодействовали, каждый импульс переворачивал бы их на 180°, создавая именно такую получастотную характеристику. Однако то, что делает систему кристаллом времени, — это то, как взаимодействия между магнитами стабилизируют структуру», — объяснил Доминик Элс, теоретик конденсированного состояния из Гарвардского университета.
По его словам, это делает систему невосприимчивой к импульсам, которые недостаточно длинны, чтобы полностью перевернуть спины.
«На самом деле это фаза материи, стабилизированная многими взаимодействиями тел», — отметил Элс.
Стефан Райчел отметил, что просто увеличить силу взаимодействия магнитов недостаточно: взаимодействия также должны случайным образом варьироваться от одной пары соседей к другой.
«Если все магниты взаимодействуют с одинаковой силой, то, если один магнит выйдет из строя, это может привести к тому, что другие в цепочке тоже перевернутся неправильно. Случайность на самом деле предотвращает распространение таких ошибок и стабилизирует кристалл времени», — рассказал Рэйчел.
В то время как более 100 исследователей работали над симуляцией Google, Фрей и Рэйчел работали в одиночку.
Квантовый процессор превратили во временной кристалл с упорядоченными собственными состояниями
Исследователи из Google и нескольких американских университетов сообщили о создании истинного дискретного временного кристалла с упорядоченными собственными состояниями. Такое состояние было получено на кубитах квантового процессора Sycamore от Google. Ученые продемонстрировали, что созданный ими временной кристалл удовлетворяет целому ряду критериев, которые позволяют считать его истинным временным кристаллом. Препринт статьи опубликован на arXiv.org.
Обновлено: в ноябре 2021 года статья опубликована в Nature.
Временной кристалл — это гипотетическая система, чьи характеристики периодически изменяются во времени даже в том случае, если она находится в основном энергетическом состоянии. Такое название было дано с оглядкой на привычные кристаллы, в которых периодичность имеет место в одном или нескольких пространственных направлениях, а сами кристаллы образуются тогда, когда температура среды понижается. Впрочем, практически сразу после возникновения идея временных кристаллов была раскритикована физиками. Дело в том, что в условиях термодинамического равновесия система, находящаяся в основном состоянии, не может совершать какие-либо колебания. В возбужденном же состоянии ее эволюция не может быть строго периодической во времени, как того требует концепция кристаллов времени, из-за стремления системы к переходу в основное состояние.
Тем не менее, ученые нашли способ, как обойти эту проблему. Оказалось, что можно обеспечить стабильность системы в возбужденном состоянии, если запретить ей релаксировать в основное состояние с помощью, так называемой, многочастичной локализации. Это эффект, родственный локализации Андерсона, который удерживает систему частиц в небольшой области пространства (реального или фазового) за счет квантовой интерференции их волновых функций в разупорядоченной среде. Расчеты теоретиков показали, что, прикладывая к локализованной системе внешнее периодическое воздействие, можно вызвать в ней колебания, которые будут продолжаться сколь угодно долго. Такая концепция получила название дискретного временного кристалла.
С этого момента в научных журналах периодически появлялись сообщения о том, что та или иная группа продемонстрировала дискретный временной кристалл. Однако ряд физиков обратили внимание, что не все из них можно считать истинными временными кристаллами, поскольку иногда под их поведение маскируются системы, которые, хоть и медленно, но стремятся к термодинамическому равновесию, приходя к нему на большой временной дистанции. В конечном итоге, было сформулировано несколько критериев, отличающих истинный кристалл времени от кажущегося таковым, и перед экспериментаторами встала задача создать систему, которая соответствует им всем.
В новой работе участники коллаборации Quantum Artificial Intelligence Lab совместно с физиками из нескольких американских университетов при участии Родериха Мёсснера (Roderich Moessner), директора Института физики сложных систем им. Макса Планка, Германия, представили результаты по созданию дискретного кристалла времени на 20 кубитах квантового процессора Sycamore, созданного Google. Они показали, что построенная ими система удовлетворяет всем сформулированным ранее критериям и потому может считаться истинным дискретным временным кристаллом.
В основе их работы лежит идея упорядоченных собственных состояний многочастично-локализованной системы. В общем случае, когда система подвергается периодическому воздействию, спектр ее состояний может иметь беспорядочный характер. Когда же состояния системы «заморожены» локализацией, их четные суперпозиции выстраиваются в фазовом пространстве ровно напротив их нечетных суперпозиций. При наложении на такую систему периодического возмущения она может демонстрировать отклик с удвоенным периодом сколь угодно долго. Энергия при этом не рассеивается и не забирается от возмущающей волны.
a) Энергетические уровни произвольной системы в термодинамическом равновесии, чей гамильтониан не зависит от времени. Дальний порядок наблюдается только в основном дуплете (четная и нечетная суперпозиция). b) Неупорядоченный спектр системы, чей гамильнониан зависит от времени периодически. Квазиэнергии при этом откладываются на окружности единичной длины. c) Упорядоченный спектр системы, чей гамильнониан зависит от времени периодически. Четные и нечетные суперпозиции упорядоченных состояний отличаются друг от друга на 180 градусов.
Ученые Google заявляют, что им удалось создать кристалл времени внутри квантового компьютера
На прошлой неделе из лаборатории квантовых вычислений Google пришла весть об удачном эксперименте по созданию физического парадокса, известного как «кристалл времени». Ученые сообщают, что сама возможность доказана, но процесс длится еще слишком мало, чтобы иметь практическую пользу. Однако если многочисленным исследователям, которые сотрудничают с Google, удастся сделать явление продолжительным и контролируемым, это станет революцией и в квантовой инженерии, и в физике.
Кристалл времени – это некий объект, который постоянно меняется, сохраняя при этом динамическую стабильность. То есть при физических изменениях самого объекта не происходит выделения энергии, он будто сохраняет свой энергетический потенциал неизменным во времени, что бы не происходило с самим объектом. А это означает отрицание энтропии и прямое нарушение второго закона термодинамики.
До недавнего времени кристаллы времени были лишь теоретической абстракцией, хотя отмечено немало случаев, когда их якобы наблюдали при разных условиях, но их существование ни разу не подтвердилось. Квантовый компьютер, в теории, подходит для реализации парадокса на практике. Специалисты затрудняются спрогнозировать, к чему это приведет – если кристалл времени окажется действительно стабильным и управляемым инструментом, это откроет путь к созданию квантовых суперкомпьютеров. Но вот какими они будут – большой вопрос.
Кристаллы времени и квантовые компьютеры
Важно понимать, что кристаллы времени, как и другие квантовые явления, нарушают некоторые известные физические законы – в частности, первый закон движения Исаака Ньютона. И если ученым действительно удалось поместить кристаллы Вильчека в квантовый компьютер – как указано в препринте научной работы – их открытие может изменить мир всего за одну ночь.
Да-да, кристаллы времени способны в корне изменить правила игры для квантовых компьютеров. В конце концов, они работают на самом важном молекулярном и даже частичном уровне, извлекая выгоду из таких идей, как прохождение электронов вокруг твердых материалов (буквально, что такое электричество!), и, по-хорошему, представляют собой огромную проблему для ученых.
Кристаллы времени и квантовые компьютеры могут изменить мир
На более практическом уровне существуют способы, с помощью которых квантовые компьютеры предлагают особый доступ к идеям, с которыми традиционные электронные компьютеры просто не могут справиться. Именно здесь вступают в игру кристаллы времени – если последующая экспертная оценка покажет, что выводы авторов нового исследования является достоверными.
Электронные компьютеры, подобные тому, на котором вы, возможно, читаете эту статью, используют логические элементы, которые включаются и выключаются, поэтому все в вашем компьютере зависит только от двух состояний: включено и выключено, светло и темно, 1 и 0, словом, вся двоичная система. Введение кубитов (квантовых битов, которые часто представляют собой один атом элемента с тщательно контролируемым электроном) еще сильнее усложняет ситуацию, как за счет добавления большего количества возможных состояний (а не просто вкл-выкл), так и за счет добавления всей основы квантовой неопределенности.
Теперь представьте, что число от 1 до 100 на самом деле является результатом чего-то вроде плана создания вечного двигателя. На самом деле существуют тысячи, миллионы или даже больше возможностей. Вместо того чтобы пытаться «заставить» двоичный компьютер выполнять работу неудобным способом, квантовый компьютер мог бы помочь ученым более естественно представить, что происходит.
Команда Google и еще 100 ученых из разных стран трудятся над созданием квантового компьютера
Именно здесь кристаллы времени открывают море возможностей, а не только квантовые вычисления кубитов. Кристаллы времени стабильны, но пульсируют с интересными интервалами, что означает, что они могут помочь ученым изучать такие вещи, как повторяющиеся закономерности или случайные числа — с аналогичными последствиями в естественных науках и за их пределами.
Google заявил о создании кристалла времени — он меняется без затрат энергии и может стать ключом к квантовым вычислениям
Кристаллы времени будто обходят законы термодинамики, периодически изменяя своё состояние без притока энергии извне.
Исследователи из Google вместе с учёными из Принстона, Стэнфорда и других университетов опубликовали предварительный вариант научной статьи, в которой описали создание кристалла времени внутри квантового компьютера. Один из авторов статьи отметил, что созданный кристалл времени имеет «поразительное свойство — он словно уклоняется от второго начала термодинамики».
Что такое кристаллы времени
Идею кристаллов времени (time crystal) предложил американский физик Фрэнк Вильчек в 2012 году по аналогии с обычными, «пространственными» кристаллами. Обычные кристаллы вроде поваренной соли, алмазов, льда — это структуры, чей «рисунок» периодически повторяется в пространстве в виде группы атомов или молекул.
Вильчек предположил, что может существовать форма материи, структура которой повторяется не в пространстве, а во времени. В качестве грубой аналогии можно привести груз, подвешенный на пружине — если растянуть её и отпустить, то пружина с грузом будет периодически менять своё состояние с натянутой на сжатую и обратно. Таким образом, её «рисунок» повторяется во времени.
Однако колебания пружины тратят энергию и потому со временем затухают, если периодически не растягивать её снова и снова. Этим любые маятники и прочие осцилляторы принципиально отличаются от кристаллов времени — последние меняют своё состояние без затрат энергии и потому могут «колебаться» бесконечно. Так не умеют вести себя даже квантовые поля — они при колебаниях «берут энергию взаймы» у вакуума.
«Запретная» форма материи, которая будто бы идёт вразрез с термодинамикой
«Пространственные» кристаллы состоят из частиц с минимальной энергией — они почти неподвижны и потому кристаллическая структура остаётся стабильной. Если «закачивать» в эту структуру энергию — частицы начнут колебаться всё сильнее и «расшатывать» структуру, пока она не распадётся. Поэтому, например, лёд и металл плавятся при нагреве.
Кристалл времени тоже имеет минимум энергии — но при этом он периодически меняет своё состояние. Он как снежинка с шестью лучами, которая через определённые промежутки времени превращается в снежинку с десятью лучами и обратно — без всякого нагрева, без обмена энергией с внешней средой.
Эта особенность кристалла времени противоречит законам термодинамики — они утверждают, что материя не может изменить своё состояние или начать движение без затрат энергии и без притока энергии извне.
Более того, кристалл времени может «игнорировать» приток энергии извне, как бы подстраивая его под себя. Например, если он меняет своё состояние каждые 20 секунд и на него светят лазером каждые 10 секунд — кристалл времени будет реагировать на лазер каждые 20 секунд или даже каждые 40 секунд. Словно желе, которое вздрагивает в ответ на каждый второй или каждый четвёртый тычок, а не на все подряд, как подобает нормальному желе.
Сначала учёные посчитали это слишком фантастичным и стали публиковать работы, в которых доказывали невозможность кристаллов времени. Но вскоре в их доказательствах нашли слабые места, а в 2016 году учёные впервые получили кристалл времени на практике — в виде кольца из ионов иттербия, охлажденных почти до абсолютного нуля.
Примерный вид первого созданного кристалла времени — по кольцу ионов периодически пробегала «волна», как по трибунам стадиона, без какой-либо стимуляции извне
Кристаллы времени удалось создать и в 2017 году двум независимым группам учёных — впрочем, все они лишь частично соответствовали необходимым критериям. Тогда как исследователи из Google, предположительно, создали первый полноценный кристалл времени: множество частиц внутри их квантового компьютера периодически и согласованно меняли состояние без потребления энергии.
Как учёные объясняют существование кристаллов времени и что они могут дать человечеству
Физики сходятся во мнении, что кристаллы времени всё же не нарушают законов термодинамики — их энергия не меняется, а изменение состояния не совершает никакой работы. Частицы кристалла времени, по сути, не двигаются — поэтому к нему нельзя подключить какой-либо механизм и получить вечный двигатель.
Однако кристаллы времени настолько необычны, что в природе их, скорее всего, не существует. Потенциал этой формы материи пока непонятен до конца, но уже сейчас учёные предполагают, что кристаллы времени можно использовать для сверхточных часов и гироскопов. Также с их помощью можно будет решить проблему декогеренции — «утечки» квантовой информации в окружающую среду, которая сейчас не даёт создать полноценные работающие квантовые процессоры и память.
Google создала первый кристалл времени из кубитов
Группа исследователей из Стэнфорда, Принстона и других университетов, которые сотрудничают с лабораторией квантовых вычислений Google, объявила о создании первого кристалла времени на квантовом процессоре. Научная работа опубликована 28 июля 2021 года в онлайне (arXiv:2107.13571v1).
Кристалл времени (темпоральный кристалл) — особый вид фазового состояния материи, при котором периодически меняется его структура без выделения или поглощения энергии, что формально нарушает второй закон термодинамики.
Исследователи утверждают, что они впервые экспериментально продемонстрировали кристалл времени, в отличие от прошлых попыток в этой области. На самом деле ранее многие исследователи заявляли о создании или наблюдении кристалла времени, включая группу учёных, которые поделились аналогичным исследованием месяц назад, но ни одно из них до сих пор не проверено. Первая статья о выращивании кристалла времени была опубликована 27 сентября 2016 года на arXiv.org, а через полгода прошла рецензирование в журнале Nature.
«Есть все основания полагать, что ни один из этих экспериментов не увенчался полным успехом, и квантовый компьютер поможет сделать это намного лучше, чем те ранние эксперименты», — прокомментировал нынешнее открытие физик Джон Чалкер из Оксфордского университета, который не принимал участия в исследовании. Новая демонстрация кристалла времени знаменует собой один из первых случаев, когда квантовый компьютер Google выполнил полезную работу.
Наблюдение дискретного временного кристалла, локализованного во многих пространственных формах. Из научной статьи
Кристалл времени расширяет определение того, что такое фазовое состояние. Все другие известные фазы находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы переходят в состояние с наименьшей энергией, допустимой при температуре окружающей среды, и их свойства не меняются со временем. Кристалл времени — первая «неравновесная» фаза: она обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбуждённом и эволюционирующем состоянии, пишет Quanta.
Кроме второго закона термодинамики, кристалл времени нарушает симметрию обращения времени или Т-симметрию — это математическое преобразование в физике, при котором обращается знак переменной времени t. Гипотеза состоит в том, что законы физики не изменяются в ходе такого обращения, то есть остаются неизменными в прошлом и будущем. Все массы и заряды, а также остальные константы, не связанные со слабым взаимодействием, тоже обладают симметрией при обращении времени. Но кристалл времени испытывает периодическое движение, возвращаясь к своей начальной конфигурации через регулярные промежутки времени.
В статье 1982 года физик Ричард Фейнман предположил, что квантовые компьютеры могут быть использованы для моделирования частиц любой мыслимой квантовой системы. Кристалл времени является примером такого видения. Это квантовый объект, который сама природа, вероятно, никогда не создаст, учитывая сложное сочетание ингредиентов. Такое состояние вещества родилось исключительно в воображении физиков, а именно у лауреата Нобелевской премии физик Фрэнка Вильчека в 2012 году.
Поскольку обычные кристаллы нарушают пространственную симметрию природы, Вильчек предположил, что они могут нарушать также и симметрию времени. Уравнения показали, что такое возможно, а сейчас идея близка к практическому подтверждению.
Если новое исследование выдержит проверку экспертов и кому-то удастся использовать кристаллы времени на практике, то квантовые компьютеры докажут свою практическую пользу. По мнению учёных, нарушение второго закона термодинамики может иметь глубокие последствия для мира квантовых вычислений: «Такое стабильное состояние необычно, а необычные вещи становятся полезными», — говорит Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене и соавтор научной работы.
