Он устроен по тому же принципу, что привычные нам кристаллы (бриллиант, изумруд), но повторяется во времени, а не в пространстве и является новой фазой материи, популярно объяснили ученые.
Согласно новому исследованию, опубликованному в рецензируемом журнале Nature сегодня, 7 декабря, исследователи с помощью квантового компьютера успешно создали «кристалл времени», впервые теоретически предсказанный физиком Фрэнком Вильчеком в 2012 году. Он представляет собой фазу вещества, повторяющуюся во времени, подобно тому, как структура обычного кристалла повторяется в пространстве. Это означает, что частицы в кристалле постоянно переключаются между двумя состояниями, не требуя дополнительных затрат энергии и не теряя энергии.
Эти кристаллы являются первыми объектами, которые нарушают так называемую «симметрию перемещения во времени» – правило физики, согласно которому стабильный объект остается неизменным во времени. Кристаллы времени избегают этого правила, будучи стабильными и постоянно меняющимися. Так, например, лед, когда он стабилен, останется льдом и изменится только тогда, когда температура или другой фактор сделает его нестабильным. Кристалл времени меняется даже находясь в основном состоянии, действуя иначе, чем все другие фазы материи.
Но ученым все еще нужно было выяснить, как создать эту фазу материи. Они обратились к феномену, называемому локализацией множества тел. Многотельная локализация – это когда одномерная цепочка квантовых частиц «застревает» в фиксированном состоянии. Согласно Quanta Magazine, каждая частица в цепочке имеет магнитную ориентацию, известную как спин («вращение»), которая указывает вверх, вниз или с определенной вероятностью в обоих направлениях.
Например, первая частица указывает вверх, следующая вниз, одна после нее – вниз, а следующая – вверх. Обычно спины квантово-механически флуктуируют и выравниваются, если это возможно. Но из-за случайного вмешательства между частицами, ограничивающего их активность, ряд частиц может «застрять» в определенной конфигурации, неспособной перегруппироваться или прийти в тепловое равновесие. Они будут указывать в этой конфигурации на неопределенное время.
В 2014 году специализирующаяся в сфере физики конденсированных сред Ведика Хемани из Стэнфорда и Шиваджи Сонди, который во время описываемого открытия был ее научным руководителем в Принстоне, обнаружили, что локализованные системы многих тел могут иметь особый порядок. Если система перевернута, это станет еще одним стабильным локализованным состоянием многих тел, согласно Quanta Magazine. Это означает, что, если бы система была задействована лазером, она бы постоянно циклически переключалась между двумя состояниями, не поглощая и не высвобождая энергию лазера.
Хемани и Сонди вместе с Ахиллеасом Лазаридесом и Родерихом Месснером из Института физики сложных систем Макса Планка смогли найти такую систему, в которой спины частиц переключаются между образцами, которые повторяются бесконечно, с периодом, вдвое превышающим период пульсации лазера. Эта система уникальна, потому что состоит из миллионов элементов, колеблющихся между двумя состояниями, завершая цикл только при двойной пульсации лазера и делая это без поглощения или высвобождения энергии.
В статье на сайте Стэнфорда подчеркивается, что, хотя это может звучать как «вечный двигатель», который нарушит законы физики, разрешив вечное движение без какого-либо внешнего источника энергии, это не так. Энтропия, мера беспорядка в системе, остается стационарной, не увеличивается, но и не уменьшается, т. е. по-прежнему соответствует второму закону термодинамики, согласно которому беспорядок не может уменьшаться сам по себе, но позволяет беспорядку оставаться на постоянном уровне, пока этот процесс обратим.
Примером обратимого процесса является протекание газа по трубе, которая сужается посередине. Когда поток движется через суженную часть, его давление, температура и скорость изменяются, но эти значения возвращаются к исходным после того, как они входят в расширенную часть трубы, что означает, что изменение энтропии равно нулю.
В то время как другие исследователи приблизились к созданию кристалла времени, кристалл, описанный в исследовании, опубликованном в Nature, является первым, который отвечает всем требованиям, необходимым для создания действительно бесконечно стабильного кристалла времени. Совершить прорыв исследователям позволил доступ к аппаратному обеспечению квантовых вычислений Гугла Sycamore. Хотя оборудование было довольно несовершенно для такой задачи, а это означает, что эксперимент был серьезно ограничен по размеру и продолжительности, исследователи создали ряд протоколов, которые позволили им оценить стабильность временного кристалла, включая запуск моделирования вперед и назад во времени и масштабирование размера.
«Нам удалось использовать универсальность квантового компьютера, чтобы проанализировать его собственные ограничения», рассказал соавтор статьи, директор Института физики сложных систем им. Планка Родерих Месснер. «По сути, он сказал нам, как исправить собственные ошибки, чтобы можно было установить отпечаток идеального временнокристаллического поведения на основе наблюдений за конечное время».
Согласно Quanta Magazine, исследователи использовали чип с 20 кубитами – управляемыми квантовыми частицами, которые одновременно поддерживают два возможных состояния, 0 и 1, сделанные из сверхпроводящих алюминиевых полос. Состояния были запрограммированы так, чтобы представлять спин вверх или вниз. Программисты смогли рандомизировать силу взаимодействия кубитов, создавая помехи, необходимые для фиксации частиц в заданном шаблоне спинов вместо того, чтобы позволять им выравниваться. Исследователи протестировали большое количество начальных конфигураций, чтобы убедиться, что все они могут быть зафиксированы в постоянно колеблющемся паттерне спинов, который будет колебаться с периодом вдвое больше, чем период пульсации, исследуя более миллиона состояний всего за один запуск машины.
Они экстраполировали тенденции относительно небольших систем, которые можно было создать на Sycamore, на гораздо большие системы. Исследователи смогли показать, что, за исключением декогеренции в самом процессоре, в самой моделируемой системе не было увеличения энтропии. Все эти открытия в совокупности существенно подкрепили аргументы в пользу существования кристаллов времени в большей степени, чем это могли сделать прошлые эксперименты.
«Я надеюсь, что с увеличением количества кубитов лучшего качества наш подход может стать основным методом изучения неравновесной динамики», сказал исследователь из Гугла, старший автор статьи Педрам Рушан.
«Мы думаем, что сейчас наиболее интересным является использование квантовых компьютеров в качестве платформ для фундаментальной квантовой физики», сказал соавтор работы, научный сотрудник Стэнфордского университета Маттео Ипполити. «Благодаря уникальным возможностям этих систем есть надежда, что вы откроете для себя какое-то новое явление, о котором вы даже не догадывались».
В субботу другая команда из QuTech, созданная в сотрудничестве между Технологическим университетом Делфта и Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO), опубликовала свои выводы о временном кристалле, созданного с помощью квантового процессора, который существовал около восьми секунд.
«Хотя идеально изолированный кристалл времени в принципе может жить вечно, любая реальная экспериментальная реализация будет распадаться из-за взаимодействия с окружающей средой», рассказал Джо Рэндалл на сайте QuTech. «Дальнейшее продление срока его существования – следующий рубеж».
Команда QuTech использовала девять квантовых битов и манипулировала ими, чтобы зафиксировать их вращения в периодически инвертирующем шаблоне, который сформировался из множества различных начальных состояний.
Команда сослалась на исследование, проведенное на квантовом компьютере Гугла Sycamore с ведущим исследователем QuTech Тимом Таминиау и отметила: чрезвычайно интересно, что несколько экспериментальных прорывов происходят одновременно.
«Все эти различные платформы дополняют друг друга. В эксперименте Гугла используется в два раза больше кубитов, а наш кристалл времени живет примерно в 10 раз дольше», заметил Таминиау.
