Кажется, в Google создали новое состояние материи — кристаллы времени. Это может стать величайшим открытием нашей эпохи

Чем больше кубитов в квантовом компьютере, тем больше возможных состояний ему доступны. Один кубит добавляет одну степень к 2. Два кубита даст 4 возможных состояния (2²); десять кубитов — 1024 (2¹º) и так далее. Благодаря этому квантовые компьютеры потенциально могут перебирать варианты и решать задачи намного быстрее, чем обычные.

Главная проблема квантовых компьютеров — в том, что их сейчас нет. В 2019 году Google уже заявлял о достижении квантового превосходства, но на самом деле это была красивая оболочка, под которой крылось примерно ничего. Квантовое превосходство — это возможность решать проблемы, с которыми не справятся обычные компьютеры, при помощи квантовых вычислительных устройств. А устройство Google «превзошло» компьютеры на базе одного специфического теста, который не имеет никакого реального применения.

Настоящий квантовый компьютер поможет человечеству решать настоящие проблемы. Ученые уверены — такие устройства приведут к огромному количеству научных открытий, благодаря чему люди выведут качество своей жизни на новый уровень, а также решат как минимум часть из загадок, ответа на которые нет уже очень давно — как появилась Вселенная, что находится внутри черной дыры или создание революционного лекарства от рака.

Однако создание квантового компьютера — вещь не такая простая. Его сердцем является маленький процессор, охлажденный в специальном холодильнике до температуры, близкой к абсолютному нулю (около -273 градусов Цельсия). Кубиты, из которых и состоит этот процессор, очень нестабильны, а их работу может нарушить даже самое минимальное вмешательство извне. Вот здесь на выручку и приходит кристалл времени, который поможет «стабилизировать» систему, и дать ей шанс на существование в реальном мире, обеспечив кубитам квантовую когерентность (возможность существовать в суперпозиции).

Так что, в Google почти создали квантовый компьютер?

Не совсем. Даже если ученые и смогли создать темпоральный кристалл, это не означает, что уже завтра мы рассчитаем, как же нам исправить проблемы, связанные с изменениями климата. Однако их исследование приоткрывает шанс для существования квантовых компьютеров в нашем мире. Сейчас даже сами ученые не утверждают наверняка, что они наверняка создали кристалл времени.

Мир квантовой физики настолько отличается от нашего, что его правила и законы действительно могут ввести в заблуждение любого человека, который не занимается наукой, показавшись ему настоящей магией. Эта наука изучает малейшие частицы, которые определяют наши с вами жизни. И она позволяет ученым «взламывать» наш взгляд на мир, создавая невообразимые формы материи.

К примеру, недавно ученые открыли четырехфермионный конденсат, который открывает невероятные перспективы для сверхпроводимости; также мы писали о квантовом эффекте, позволяющем сделать материю невидимой. Стоит упомянуть и о спиновой жидкости — еще одном состоянии материи, которое изменит физику и может стать еще одним кирпичиком для постройки коммерческого квантового компьютера наравне с кристаллом времени.

Что же такое кристалл времени?

Вот так мы и подошли к главному блюду нашей статьи. Кристаллы времени — достаточно сложная штука для понимания, и сложнее, наверное, только ее объяснение. Но мы, конечно же, попробуем.

Их существование еще в 2012 году предсказал лауреат Нобелевской премии из Массачусетского технологического университета Франк Вильчек.

Если в жидком и газообразном состоянии вещество обладает пространственной симметрией, то вид твердых тел зависит от угла зрения наблюдателя. В своей работе Вильчек предположил, что атомы кристалла также могут обладать подобной симметрией — однако не пространственной, а временной, меняя и возвращаясь в свое изначальное положение.

В 2017 году появились первые исследования, которые пытались перевести его теорию на практику. Однако те кристаллы времени «выживали» только в условиях, созданных исследователями, что не позволяло заявлять о существовании реальных временных кристаллов.

Тем не менее, начало было положено — ученые поняли, что кристаллы времени — это не фантазия, и при правильных условиях это состояние материи можно получить в лаборатории.

Если говорить коротко — то это новая форма материи, которая полностью переворачивает наши знания о мире, ведь она нарушает закон термодинамики Исаака Ньютона. Это квантовый объект, который сам по себе в природе не появится из-за сложной комбинации его составляющих.

Обычный кристалл состоит из атомов, которые собираются в повторяющиеся формы — кристаллические решетки. Эти формы дублируют друг друга в пространстве, собираясь в единую материю — кристалл. Кристалл времени — это, грубо говоря, кристалл в 4D, который дублирует свою форму не только в пространстве, но и во времени.

От обычной материи кристаллы времени отличаются тем, что двигаются даже в состоянии покоя. Мяч не полетит, если его не бросить, не ударить или не сдуть ветром — чтобы он начал двигаться, нужно, чтобы что-нибудь другое придало ему кинетическую энергию. Кристаллы времени двигаются даже в своем основном — стационарном — состоянии. То есть, они двигаются в принципе не потребляя энергии.

Классическая физика гласит, что Вселенная постоянно движется в сторону энтропии — как мяч, который летит после удара, однако все равно рано или поздно замрет из-за нехватки энергии. Однако темпоральные кристаллы — продукт не классической, а квантовой физики, а потому они не подчиняются этому правилу.

Представьте себе кубик льда и чашку с водой комнатной температуры. Бросив лед в чашку, мы понимаем, что со временем лед растворится, а вода станет прохладнее. Пройдет еще немного времени и вода вновь вернется к своему изначальному состоянию. После всех манипуляций вы получаете воду комнатной температуры — как в самом начале.

Изолировав кубик льда и чашку с водой от других внешних сил, вода все равно всегда будет растапливать кубик льда. В реальности энтропия увеличивается еще больше, ведь мы живем не в изолированном мире — вокруг нас постоянно взрываются звезды, а черные дыры поглощают другие черные дыры, создавая таким образом невероятное количество энергии, которое так или иначе влияет на состояние всего, что нас окружает.

Однако кристаллы времени выше каких-то там законов физики. Если продолжать аналогию со льдом, то кристалл времени — это такая форма материи, которая может быть льдом, раствориться в воде, а затем снова стать ледышкой. А затем снова водой. И опять льдом. И все это без каких-либо потерь и использования энергии. Если вы получите в свое распоряжение мяч из кристаллов времени, то вряд ли сможете положить его у себя на балконе — он постоянно будет летать и рано или поздно разобьет окно и улетит.

Кристаллы времени нарушают движение в сторону энтропии, которому подчиняется абсолютно «обычная» материя во Вселенной. И, что самое крутое, они могут это делать внутри изолированной системы — то есть, фактически, в процессоре квантового компьютера.

Как ученым удалось создать кристалл времени?

Ученые использовали модель Изининга, состоящей из решетки, места в которой занимают намагниченные частицы. Магнетизм возникает из-за свойства электронов, которые называются спином. Спины могут смотреть «вверх» или «вниз» — при этом они взаимодействуют между собой и «хотят» выровняться относительно друг друга.

Исследователи выяснили, что определенные «удары» лазера по этой решетке заставляли частицы менять свои фазы, ведь таким образом в систему попадает энергия, которая заставляет электроны вращаться и делает систему нестабильной. Со временем ученые заметили, что после воздействия лазера различные узоры из спинов формировали паттерны, которые периодически повторялись. Причем они повторялись вне зависимости от энергии, которую в систему приносил лазер — важен был сам факт его «удара», а не его сила.

В конце концов, последней точкой стала работа ученых с командой Google Quantum AI. Ключевым признаком идеального кристалла времени является то, что он показывает неопределенные колебания всех состояний. Исследователи использовали квантовый процессор Sycamore, запрограммировав 20 кубитов, состояниями которых они управляли с помощью микроволнового излучения.

Они разработали программу для проверки более миллиона состояний кристалла времени, которая проходила приблизительно за миллисекунду времени благодаря возможностям квантового процессорам. Это можно сравнить с просмотром физического кристалла, который необходимо вращать в руках, чтобы посмотреть на него со всех сторон. Однако, как бы его не вращали, его структура буде повторяться со всех сторон.

«Нам удалось использовать универсальность квантового компьютера, чтобы помочь нам проанализировать его собственные ограничения. Фактически, он сам подсказывал нам, как исправить ошибки, чтобы мы могли установить отпечаток идеального временнекристаллического поведения на основе наблюдений за определенное время», — говорит Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем Общества Макса Планка и один из соавторов исследования.

И что теперь?

Таким образом, ученые сделали небольшой шажок в сторону захватывающего будущего — с разгадками самых сложных загадок Вселенной, варп-двигателями, которые позволят нам перемещаться на Марс и обратно за несколько часов, прорывными исследованиями в медицине и других науках — например, потенциальным объединением квантовой и классической физики.

Кристаллы времени могут полностью поменять наше восприятие времени. Никто не говорит о машине времени, однако Четан Наяк, глава исследовательской группы Microsoft Station Q и профессор из Калифорнийского университета, уверен, что это открытие потенциально поможет нам лучше понять природу времени.

«Сколько бы вы ни пытались относиться к [времени] как к другому измерению, оно всегда является чем-то особенным», — говорит он. Темпоральные кристаллы — это первый случай, когда «время внезапно оказывается лишь одним из членов банды».

Для ученых достижение заключается не только в создании нового состояния материи — они убедились, что области физики конденсированного состояния есть, что предложить миру.

«Мы считаем, что на данный момент самым перспективным полем для применения квантовых компьютеров является использования их в качестве платформ для квантовой физики. Благодаря уникальным возможностям этих систем есть шанс открыть какое-то новое явление, о котором вы и не догадывались», — комментирует успех работы Маттео Ипполити, научный сотрудник Стэнфордского университета.

Сейчас у нас есть большое преимущество — реальные прототипы квантовых компьютеров, в которых мы можем протестировать эту новую материю, а также другие квантовые. Если они сработаются — что ж, это будут отличные новости!