Что такое кристаллы времени и почему ученые ими одержимы?
О чем вы думаете когда слышите о кристаллах времени? Мне сразу представляется что-то наподобие тессеракта из мультивселенной Марвел или очередное безумное изобретение гениального Рика из «Рик и Морти». Только представьте – таинственные кристаллы времени, способные перенести их обладателя как в прошлое, так и в будущее. Но, я, конечно, пересмотрела научной фантастики и в реальности кристаллы времени или кристаллы Вильчека не способны перемещать кого-либо или что-либо во времени. И все же, физики ими буквально одержимы. Причина этой одержимости на самом деле проста: по сути, кристалл времени – это особая фаза материи, которая постоянно меняется, но, похоже, не использует энергии. Только представьте, объект, части которого движутся в регулярном, повторяющемся цикле, поддерживает это постоянное изменение без сжигания какой-либо энергии. Вообще. Кристаллы времени также являются первыми объектами, которые спонтанно нарушают «симметрию перемещения во времени» – обычное правило, согласно которому стабильный объект будет оставаться неизменным на протяжении всего времени. Кристаллы времени одновременно стабильны и постоянно меняются через определенные промежутки времени.
Кристалл времени – новая фаза материи, которую физики пытались реализовать в течение многих лет
Новая физика: учёные создали два взаимодействующих кристалла времени
Международный коллектив учёных провёл эксперимент по созданию и взаимодействию кристаллов времени — физических структур, существующих в четырёх измерениях. Такую форму материи уже удавалось создать ранее, однако воздействие двух кристаллов времени друг на друга наблюдалось впервые. Свойства таких кристаллов, по мнению исследователей, можно использовать для улучшения работы квантовых компьютеров, атомных часов, гироскопов и систем спутниковой навигации.
Исследователи из Ланкастерского университета и Королевского колледжа Холлоуэй (Великобритания), а также их коллеги из Йельского университета (США) и Университета Аалто (Финляндия) впервые наблюдали взаимодействие необычной формы материи — кристаллов времени. Об этом сообщается в журнале Nature Materials.
Учёные создали два кристалла времени внутри сверхтекучей жидкости, которую произвели в результате охлаждения гелия-3 (редкого изотопа гелия с одним недостающим нейтроном) до температуры выше абсолютного ноля всего на 0,0001 °C . Затем они позволили двум полученным структурам соприкоснуться.
Существование кристаллов времени было впервые предсказано нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком в 2012 году. Такие физические структуры являются особой формой материи. Если решётка обычных кристаллов представляет собой неизменный и регулярно повторяющийся в пространстве трёхмерный «узор», то структура кристаллов времени изменяется циклически, возвращаясь в исходное положение через определённые интервалы. Впервые кристаллы времени были экспериментально продемонстрированы в 2017 году, но только сейчас удалось увидеть результаты их взаимодействия.
«Контроль над взаимодействием двух кристаллов времени является важным достижением. Прежде никому не удавалось наблюдать два кристалла времени в одной системе, не говоря уже об их взаимодействии», — сказал ведущий автор исследования из Ланкастерского университета доктор Самули Аутти.
«Возможности безграничны»: российский специалист по наносистемам — о квантовом компьютере и биосенсорах
Появление квантовых компьютеров позволит человечеству создать новые виды топлива и осуществить прорыв в медицине. Такого мнения.
В ходе эксперимента учёные наблюдали, как два кристалла времени в результате контакта обменивались составными частицами, перетекавшими из одного кристалла в другой и обратно, — этот феномен известен в науке как эффект Джозефсона.
Исследователи полагают, что это свойство (не повреждаться при переходе из одного состояния в другое) можно использовать при создании мощных квантовых компьютеров.
По мнению учёных, кристаллы времени имеют большой потенциал для практического применения: их можно использовать при создании атомных часов, для улучшения работы гироскопов и систем спутниковой навигации.
Специалисты Google вместе с NASA создали новый вид материи
Специалисты Google совместно с коллегами из NASA с помощью квантового компьютера создали новый вид материи – кристаллы времени. Компания опубликовала предварительную версию научной статьи и, если ее достоверность подтвердит независимая оценка, это будет значить, что в мире произошло очень важное открытие.
О чем собственно речь? Кристаллы времени как концепция появилась меньше десяти лет назад. Ученые сошлись во мнении, что такие кристаллы могут бесконечно менять свою структуру, не тратя при этом свою энергию, то есть, по сути, нарушая второе начало термодинамики.
Если объяснять на простом примере – качающийся маятник рано или поздно остановится, а кристаллы времени — нет. Получить их удалось лишь пять лет назад из кольца ионов иттербия, охлажденных почти до абсолютного нуля. В Google утверждают, что им удалось сделать то же самое с помощью квантового компьютера Sycamore, того самого, который ранее достиг квантового превосходства, то есть превзошел в скорости самый быстрый в мире компьютер, пусть и на специфической задаче. И тут дело в том, что исключительные свойства материи, будто бы нарушающие законы физики, проявляются обычно при температурах близких к абсолютному нулю.
В таких условиях некоторые материалы получают способность к сверхпроводимости и возможность находиться сразу в нескольких состояниях. Это как раз относится и к кубитам, из которых состоит квантовый компьютер: они одновременно находятся в состоянии нуля и единицы. Так вот, в работе специалисты описали создание установки, в которой кристалл времени находится в кольце из сверхпроводящих кубитов. Это получилось в том числе и за счет того, что сам квантовый компьютер находится в криостате, где температура близка к абсолютному нулю.
Впрочем, эксперимент американской корпорации не уникален. Месяц назад похожее исследование опубликовали специалисты Делфтского технического университета из Нидерландов. Но в Google утверждают, что их кристаллы времени могут существовать намного дольше за счет того, что их суперкомпьютер больше и мощнее. И если предположение исследователей справедливо, можно добиться практически вечной работы кристалла времени.
Для чего его использовать — пока не совсем ясно, но ученые предполагают, что как раз такая материя пригодится для совершенствования квантовых компьютеров. Сейчас приходится бороться с тем, что кубиты могут произвольно менять свое состояние. Если их удастся стабилизировать или сделать хотя бы так, чтобы они колебались в известных заранее пределах, это уже будет прорывом, пишут ученые.
Кристаллы времени — не научная фантастика, а прорыв в квантовых компьютерах
В научно-фантастических фильмах с помощью кристаллов времени герои могут управлять настоящим, прошлым и будущим. Ученые смогли создать такие кристаллы в реальной жизни, правда, совсем для других целей.
Исследователи из компании Google, Стэнфордского, Принстонского и нескольких других университетов, получили кристалл времени в наномасштабе. Он способен подпитывать энергией самые мощные квантовые суперкомпьютеры. Что интересно: при его создании также использовались квантовые компьютеры, в частности, 53-кубитный Sycamore.
Процессор квантового компьютера Sycamore, внутри которого ученые создали кристалл времени, задействовав для этого 20 из имеющихся в нем 53-х кубитов. Изображение: Eric Lucero/Google
В статье, опубликованной на платформе для обмена научными данными Arxiv.org, описывается кристалл времени, созданный из 20 кубитов – единиц информации в квантовом компьютере. К массиву кубитов были применены алгоритмы, которые заставляли их вращаться в двух направлениях: сверху вниз и снизу вверх. Это позволило создать управляемую реакцию, которая, по словам исследователей, может длиться бесконечно.
С точки зрения науки, кристаллы времени, также называемые темпоральными или временными кристаллами, – довольно необычное явление. Они состоят из атомов, расположенных в пространстве в повторяющемся порядке. Такая структура позволяет кристаллам со временем менять форму, не перегреваясь и не теряя энергию. Эти два свойства могут найти применение в работе квантовых компьютеров, кубиты в которых легко распадаются при любом внешнем воздействии или увеличении температуры.
Концепция кристаллов времени сложна для понимания, но по сути это вечный двигатель, опровергающий второй закон термодинамики, согласно которому любая замкнутая система стремится к энтропии, то есть к саморазрушению и возвращению к хаосу. Также существование кристаллов времени противоречит первому закону механики Ньютона, по которому тело удерживается в состоянии покоя или движения, пока к нему не будут приложены силы.
Наконец, темпоральные кристаллы нарушают так называемую симметрию перемещения во времени: идею о том, что стабильный объект, такой как твердые тела, жидкости, газы и плазма, будет оставаться неизменным во времени.
Часть системы охлаждения квантового компьютера Sycamore. В будущем проблему поддержания низкой температуры можно будет частично решить с помощью темпоральных кристаллов. Изображение: Google
Концепцию кристаллов времени предложил в 2012 году физик Фрэнк Вильчек, который задался вопросом, можно ли расположить атомы во времени в том же порядке, в каком они размещены в пространстве, например, в кристаллах. Он предположил, что такая термодинамически неравновесная система, состоящая из атомов, может совершать повторяющиеся вращения, колебания или даже перемещения без потери энергии. В дальнейшем в число гипотетических кристаллов времени были включены системы, способные активироваться от внешнего влияния, например, встряхивания, перемешивания или воздействия лазером.
В 2017 году в Гарвардском и Мэрилендском университетах были созданы временные кристаллы в микромасштабе при низких температурах. В 2021 году ученые из Делфтского технического университета опубликовали результаты эксперимента по созданию кристалла времени внутри алмаза.
Темпоральный кристалл, созданный при помощи квантового компьютера Sycamore, функционировал несколько миллисекунд, но это уже весьма многообещающий результат. Предполагается, что в дальнейшем такие кристаллы смогут работать намного дольше и сохранят свои свойства в течение тысяч и даже миллионов циклов движений.
По мнению исследователей, это новая ступень в развитии квантовых компьютеров, так как с помощью кристаллов времени можно будет решить вопрос снабжения квантовых систем практически бесконечной энергией без повышения температуры и разрушения кубитов.
Google заявила о создании кристалла времени внутри квантового компьютера
Данная страница содержит «вставки» с других сайтов, скрипты которых могут собирать ваши личные данные для аналитики и своих внутренних потребностей. Редакция рекомендует использовать браузеры с блокировкой трекеров для просмотра таких страниц. Подробнее →
Как такое возможно?
Многие физики утверждают, что кристаллы времени все же соответствуют законам термодинамики и для создания вечного двигателя они не пригодны. Однако, если учесть тот факт, что еще несколько лет назад сама идея существования подобного явления отрицалась, а уже в 2021 году ученым удалось это опровергнуть, можно предположить, что вскоре привычные нам законы физики будут пересмотрены.
Представители Google утверждают, что изобретение решит проблему декогеренции (утери квантовой информации). Именно это явление не позволяет создать работающие на полную мощность квантовые процессоры и карты памяти.
