Google створив "кристал часу". Він змінює уявлення про закони фізики

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.

Дослідниками зі Стенфорда, Принстона та інших провідних американських університетів підготували наукову статтю, у якій детально описали технологію створення кристала. Восени її опублікують в журналі Nature - після того, як статтю перевірить наукова спільнота.

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 "ми поки що навіть не можемо повністю усвідомити його важливість".

Що таке кристал часу?

Всім відомі три основні стани речовини: твердий, рідкий і газоподібний. Вони суттєво відрізняються фізичними властивостями, але можуть переходити один в інший за необхідних умов - тиску і температурі.

Однак цими трьома станами 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 радше нагадує 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, 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 у 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 був якийсь незрозумілий зв'язок, - хоча 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 кількох 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 безкінечно: 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), за рахунок якої 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 годинників 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".

Хочете отримувати головні новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!