Физики создали систему из двух соединенных кристаллов времени, представляющих собой квантовые системы, застрявшие в бесконечной петле, к которой неприменимы обычные законы термодинамики. Соединив вместе два кристалла времени, физики надеются использовать эту технологию для создания квантового компьютера нового типа.
«Это редкая привилегия исследовать совершенно новую фазу материи», сказал ведущий ученый проекта из Ланкастерского университета в Соединенном Королевстве доктор Самули Аутти.
Мы постоянно сталкиваемся с обычными кристаллами в повседневной жизни, от льда в коктейле до бриллиантов в украшениях. Хотя кристаллы красивы, для физика они представляют собой нарушение нормальной симметрии природы.
Законы физики симметричны относительно пространства. Это означает, что фундаментальные уравнения гравитации, электромагнетизма или квантовой механики одинаково применимы ко всему объему Вселенной. Они также работают в любом направлении. Таким образом, лабораторный эксперимент, повернутый на 90 градусов, должен дать те же результаты (конечно, при прочих равных условиях).
Но в кристалле эта великолепная симметрия нарушается. Молекулы кристалла располагаются в предпочтительном направлении, создавая повторяющуюся пространственную структуру. На жаргоне физиков кристалл является прекрасным примером «самопроизвольного нарушения симметрии»: фундаментальные законы физики остаются симметричными, а расположение молекул – нет.
В 2012 году физик Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института заметил, что законы физики также имеют временную симметрию. Это означает, что любой эксперимент, повторенный позже, должен дать тот же результат. Вильчек провел аналогию с нормальными кристаллами, но в измерении времени, назвав эту спонтанную симметрию, нарушающую время, кристаллом времени. Несколько лет спустя физики смогли наконец построить его.
«Кристалл времени продолжает двигаться и периодически повторяется во времени при отсутствии внешней поддержки», сказал доктор Аутти. Это возможно, потому что кристалл времени находится в самом низком энергетическом состоянии. Основные правила квантовой механики не позволяют движению стать полностью неподвижным, поэтому кристалл времени остается «застрявшим» в своем бесконечном цикле.
«Это означает, что они являются вечными двигателями и, следовательно, невозможны», заметил доктор Аутти.
Законы термодинамики предполагают, что системы, находящиеся в равновесии, имеют тенденцию к большей энтропии или беспорядку: чашка кофе всегда будет остывать, маятник в конце концов перестанет раскачиваться, а мяч, катящийся по земле, в конце концов остановится. Но кристалл времени бросает вызов этому или просто игнорирует его, потому что правила термодинамики, похоже, к нему неприменимы. Вместо этого кристаллы времени подчиняются квантовой механике, правилам, управляющим зоопарком субатомных частиц.
«В квантовой физике вечный двигатель хорош, пока мы держим глаза закрытыми, и он должен начать замедляться, только если мы наблюдаем за движением», сказал доктор Аутти, имея в виду тот факт, что экзотические квантово-механические состояния, необходимые для кристаллов времени, не могут продолжать работать после того, как они взаимодействуют с окружающей средой (например, если мы наблюдаем за ними).
Это означает, что физики не могут напрямую наблюдать кристаллы времени. В тот момент, когда они пытаются на него посмотреть, квантовые правила, которые позволяют ему существовать, нарушаются, и кристалл времени останавливается. И эта концепция выходит за рамки наблюдения: любое достаточно сильное взаимодействие с внешней средой, которое разрушает квантовое состояние кристалла времени, заставит его перестать быть кристаллом времени.
Именно здесь на помощь пришла команда доктора Аутти, пытавшаяся найти способ взаимодействия с квантовым кристаллом времени с помощью классических наблюдений. В мельчайших масштабах правит квантовая физика. Но жуки, кошки, планеты и черные дыры лучше описываются детерминистскими правилами классической механики.
«Континуум от квантовой физики к классической физике остается плохо изученным. Как одно становится другим, является одной из выдающихся загадок современной физики. Кристаллы времени охватывают часть границы между двумя мирами. Возможно, мы сможем узнать, как удалить границу, путем детального изучения кристаллов времени, сказал доктор Аутти.
В новом исследовании доктор Аутти и его команда использовали для создания своего кристалла времени «магноны» – «квазичастицы», возникающие в коллективном состоянии группы атомов. В данном случае группа физиков взяла гелий-3 – атом гелия с двумя протонами, но только с одним нейтроном – и охладила его с точностью до десятитысячной градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре гелий-3 превратился в конденсат Бозе-Эйнштейна, где все атомы имеют общее квантовое состояние и работают согласованно друг с другом.
В этом конденсате все спины электронов гелия-3 соединились и работали вместе, создавая волны магнитной энергии, магноны. Эти волны вечно плескались туда-сюда, превращаясь в кристалл времени.
Команда Аутти взяла две группы магнонов, каждая из которых работала как отдельный кристалл времени, и подвела их достаточно близко, чтобы они могли влиять друг на друга. Объединенная система магнонов действовала как один кристалл времени с двумя разными состояниями.
Команда Аутти надеется, что их эксперименты смогут прояснить взаимосвязь между квантовой и классической физикой. Их цель состоит в том, чтобы построить кристаллы времени, которые взаимодействуют со своей средой без распада квантовых состояний, позволяя кристаллу времени продолжать работать, пока он используется для чего-то другого. Это не означало бы свободную энергию – движение, связанное с кристаллом времени, не имеет кинетической энергии в обычном смысле, но ее можно использовать для квантовых вычислений.
Наличие двух состояний важно, потому что это основа для вычислений. В классических компьютерных системах основной единицей информации является бит, который может принимать состояние 0 или 1, в то время как в квантовых вычислениях каждый «кубит» может находиться более чем в одном месте одновременно, что позволяет выполнять гораздо больше вычислений.
«Это может означать, что кристаллы времени можно использовать в качестве строительного блока для квантовых устройств, которые работают также за пределами лаборатории. В таком начинании созданная нами двухуровневая система будет основным строительным блоком», сказал доктор Аутти.
Эта работа в настоящее время очень далека от работающего квантового компьютера, но открывает интересные направления исследований. Если ученые смогут манипулировать системой из двух кристаллов времени, не разрушая ее квантовые состояния, они потенциально смогут построить более крупные системы кристаллов времени, которые будут служить настоящими вычислительными устройствами.
