В кінці липня компанія Google оголосила, що її інженерам вдалося створити всередині квантового комп’ютера новий стан матерії – так званий кристал часу (або темпоральний кристал), саме існування якого, здається, кидає виклик фундаментальним законам фізики.
Наукову статтю, написана дослідниками зі Стенфорда, Принстона та інших провідних американських університетів, у якій детально описано технологію створення кристала, восени опублікують в журналі Nature – після того, як пройде перевірку наукової спільноти.
Автори роботи (а в чернетці публікації перераховано понад сотню імен) й самі не до кінця впевнені у тому, що їх експеримент дійсно вдався. Однак, якщо відкриття підтвердиться, Google можна буде вважати першовідкривачем однієї з найнеймовірніших і перспективних технологій майбутнього.
Темпоральні кристали повинні зіграти найважливішу роль в створенні квантових комп’ютерів – настільки швидких і потужних, що вони зможуть за лічені хвилини вирішувати завдання, на які у сучасних процесорів пішли б тисячоліття. Власне, кристал часу й створили всередині найпотужнішого на сьогодні квантового комп’ютера, Google Sycamore.
Експерти називають це відкриття настільки революційним, що “цілковито усвідомити його важливість ми поки ще навіть не в змозі”.
То що таке кристал часу?
Всім відомі три основні стани речовини: тверде, рідке і газоподібне. Вони суттєво відрізняються фізичними властивостями, але можуть переходити одне в інше при необхідних умовах – тиску і температурі.
Однак цими трьома Всесвіт не обмежується. Вченим відомі й інші, більш екзотичні стани матерії. Наприклад, плазма, яка допомогла нам замінити громіздкі телевізори на монітори з плоским екраном. У природних умовах на Землі плазму можна спостерігати в основному у вигляді блискавок і північного сяйва, хоча у Всесвіті на неї припадає 99,9% всіх звичних для нас речовин.
За останні сто років в лабораторних умовах вдалося отримати надплинні квантові рідини (наприклад, рідкий гелій), а також вироджену речовину, бозе-ейнштейнівський конденсат та інші.
Темпоральний кристал – один з таких екзотичних станів. І, щоби зрозуміти його природу, для початку потрібно згадати, що таке кристал звичайний – чи то дорогоцінний діамант, чи простий лід.
На відміну від рідин і газів, де частинки перебувають в постійному русі, періодично стикаючись між собою, кристал – тверде тіло. Його атоми (або молекули) пов’язані між собою і розташовані у строгій повторюваній послідовності, на однаковій відстані одна від одної, як кути клітин на шахівниці. Втім, клітини плоскі, а кристал об’ємний – так що його структура нагадує скоріше кубик Рубика.
У рідкому і газоподібному стані речовина з усіх боків виглядає однаково. Фізики називають це явище просторовою симетрією. А ось зовнішній вигляд твердих предметів залежить від кута зору. Тому вчені кажуть, що в кристалах просторова симетрія порушена.
Однак теорія відносності стверджує, що, крім тривимірного простору, у Всесвіті є і четвертий вимір – час. Тому у 2012 році американський фізик і лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек припустив, що атоми кристала можуть розташовуватися так само – у повторюваній послідовності, на однаковій відстані один від одного – але не в просторі, а в часі, періодично повертаючись в початкове положення.
Уявіть, що ви насипали в коробку жменю монет і акуратно виклали кожну орлом догори. Потім цю коробку гарненько потрясли, відкрили – і побачили, що монети всередині перекинулися, причому перекинулися однаково: тепер усі до єдиної лежать догори решкою.
Потрясли ще раз – знову всюди орел; ще – знову тільки решка, і так далі. Система немов запам’ятовує, у якому стані перебувала спочатку – і повертається до нього знову і знову, після кожної парної зміни. А після кожної непарної – змінює цей стан на протилежний.
Оскільки повторювана дія одна й та сама, а її результат повторюється через раз, вчені кажуть, що в цьому випадку порушена симетрія часу. Саме це – визначальна властивість темпоральних кристалів.
Монети у цьому випадку – це елементарні частинки, з яких складається кристал (як кульки на зображенні вище). Орел і решка – їх квантові стани, а “струшування коробки” – будь-який періодично повторюваний вплив (наприклад, опромінення кристала лазером). Вільчек розрахував, чи можливо таке в теорії – і математичні формули зійшлися, підтверджуючи його правоту.
І хоча через кілька років в опублікованих розрахунках нобелівського лауреата виявили неточності, експерименти зі створення кристалів часу продовжилися – і, здається, увінчалися успіхом.
Чому відкриття кристала часу це революція в науці?
Характеристики кристала суперечать відразу декільком фундаментальним законам фізики – у будь-якому випадку так здається на перший погляд.
Темпоральний кристал переходить з одного стану в інший і назад, не витрачаючи при цьому енергію (енергія лазера кристалу не передається, виступаючи своєрідним “фізичним каталізатором”) – а це підозріло нагадує вічний двигун, існування якого наука офіційно визнала неможливим ще в XVIII столітті. Паризька академія наук перестала приймати та розглядати проєкти вічного двигуна в 1775 році – “з огляду на очевидну неможливість його створення”.
Повертаючись до аналогії трохи вище, монети в коробці перевертаються не довільно, випадковим чином, а впорядковано, усі разом – так, якби між ними була якийсь незрозумілий зв’язок, – хоча весь наш досвід підказує, що в житті так не буває.
Телепортація – реальність. Як це працює?
Усім відомо, що розбити будь-який предмет значно простіше, ніж зібрати його з декількох частин. Змішати білок і жовток – справа кількох секунд, а ось розділити їх після цього практично неможливо. Ці приклади наочно демонструють нам дію Другого закону термодинаміки, який говорить, що з плином часу будь-яка ізольована система, частини якої взаємодіють між собою, рухається від порядку до хаосу. Тобто до рівномірного розподілу температури і енергії по всьому своєму об’єму. Такий стан фізики ще називають “теплова смерть”.
Відпущений маятник не може коливатися нескінченно: під час руху він витрачає енергію, тому рано чи пізно коливання згасають. А енергія темпорального кристала залишається незмінною без всякого підживлення ззовні, тому в теорії, у повністю ізольованій системі, він може переходити з одного стану в інший (і повертатися) нескінченно.
Правда, інженер Google і провідний автор роботи Сяо Мі розповів ВВС, що ці суперечності ілюзорні. І на роль вічного двигуна темпоральний кристал не годиться.
“Хоча кристал справді демонструє “вічний рух”, цей рух не виробляє енергії”, – пояснює він.
“Насправді свідчення вічного руху в квантових системах нам вже зустрічалося, – продовжує фізик. – Наприклад, в надпровідниках. За якими електрони подорожують, не зустрічаючи ніякого опору. Або в надплинних рідинах, де так само без будь-якого опору переміщаються атоми гелію. Хоча ні там, ні там просторова симетрія не порушена – а значить, під визначення темпоральних кристалів вони не потрапляють”.
Щодо теорії відносності, де час і простір знаходяться на одному фундаменті, то в цій системі координат дійсно може здатися, що, якщо вже звичайні кристали (тобто будь-які тверді тіла загалом) порушують просторову симетрію, то з усією очевидністю повинна порушуватися і симетрії щодо зсуву в часі.
“Кілька років теоретичних досліджень пішло на те, щоб зрозуміти: “теплової смерті” можна уникнути шляхом так званої багаточастинної локалізації (MBL), через наростання ентропії у кожній частині системи сповільнюється”, – говорить Сяо Мі.
Навіщо все це?
Теоретична фізика не належить до прикладних наук – а значить, найближчим часом неймовірне відкриття навряд чи знайде гідне застосування на практиці.
Оскільки темпоральні кристали виявилися неймовірно стійкими до електромагнітного шуму (тобто будь-яких впливів ззовні системи), їм з великою ймовірністю знайдеться застосування при створенні надточних годин і гіроскопів.
Ще одна популярна версія полягає в тому, що виявлення настільки унікальної форми матерії наближає вчених до створення запам’ятовувальних пристроїв для квантових суперкомп’ютерів.
Однак поки будь-які версії застосування темпоральних кристалів на практиці – не більше ніж припущення. Навіть самі творці кристала не можуть переконливо відповісти на питання, де технологія знайде своє практичне застосування, і не виключають, що на це підуть десятиліття. Однак, за словами Сяо Мі, з точки зору науки не це головне.
“Кристали часу – явище настільки дивовижне, що заслуговує вивчення просто так, без будь-якої практичної мети, – запевняє він. – Адже нам так мало відомо про стани, в яких речовина може виходити за межі температурної рівноваги”.
