Здається, в Google створили новий стан матерії — часові кристали. Це може стати найбільшим відкриттям нашої епохи

Чим більше кубітів у квантовому комп’ютері, тим більші можливі стани йому доступні. Один кубіт додає один ступінь до 2. Два кубіти дасть 4 можливі стани (2²); десять кубітів — 1024 (2¹º) і так далі. Завдяки цьому квантові комп’ютери потенційно можуть перебирати варіанти та вирішувати завдання набагато швидше, ніж звичайні.

Головна проблема квантових комп’ютерів у тому, що їх зараз немає. У 2019 році Google вже заявляв про досягнення квантової переваги, але насправді це була гарна оболонка, під якою крилося приблизно нічого. Квантова перевага — це можливість вирішувати проблеми, з якими не впораються звичайні комп’ютери, за допомогою квантових обчислювальних пристроїв. А пристрій Google «перевершив» комп’ютери на базі одного специфічного тесту, який не має жодного реального застосування.

Справжній квантовий комп’ютер допоможе людству вирішувати справжні проблеми. Вчені впевнені — такі пристрої призведуть до величезної кількості наукових відкриттів, завдяки чому люди виведуть якість свого життя на новий рівень, а також вирішать як мінімум частину загадок, відповіді на які вже немає дуже давно — як з’явився Всесвіт, що знаходиться всередині чорної діри або створення революційних ліків від раку.

Проте створення квантового комп’ютера — річ не така проста. Його серцем є маленький процесор, охолоджений у спеціальному холодильнику до температури, близької до абсолютного нуля (близько -273 градусів Цельсія). Кубіти, з яких і складається цей процесор, дуже нестабільні, а їхню роботу може порушити навіть найменше втручання ззовні. Ось тут на допомогу і приходить часовий кристал, який допоможе «стабілізувати» систему, і дати їй шанс на існування у реальному світі, забезпечивши кубітам квантову когерентність (можливість існувати в суперпозиції).

То що, у Google майже створили квантовий комп’ютер?

Не зовсім. Навіть якщо вчені й змогли створити темпоральний кристал, це не означає, що вже завтра ми розрахуємо, як нам виправити проблеми, пов’язані зі змінами клімату. Однак їхнє дослідження відкриває шанс для існування квантових комп’ютерів у нашому світі. Зараз навіть самі вчені не стверджують, що вони напевно створили часовий кристал.

Світ квантової фізики настільки відрізняється від нашого, що його правила і закони дійсно можуть ввести в оману будь-яку людину, яка не займається наукою, здавшись їй справжньою магією. Ця наука вивчає найменші частки, які визначають наші життя. І вона дозволяє вченим «зламувати» наш погляд на світ, створюючи неймовірні форми матерії.

Наприклад, нещодавно вчені відкрили чотириферміонний конденсат, який відкриває неймовірні перспективи для надпровідності; також ми писали про квантовий ефект, що дозволяє зробити матерію невидимою. Варто згадати і про спінову рідину — ще один стан матерії, який змінить фізику і може стати ще однією цеглиною для будівництва комерційного квантового комп’ютера нарівні з часовим кристалом.

Що таке часовий кристал?

Ось так ми підійшли до головної страви нашої статті. Часові кристали — досить складна штука для розуміння, і складніше, мабуть, лише пояснення. Але ми, звичайно, спробуємо.

Їх існування ще у 2012 році передбачив лауреат Нобелівської премії з Массачусетського технологічного університету Франк Вільчек.

Якщо в рідкому та газоподібному стані речовина має просторову симетрію, то видгляд твердих тіл залежить від кута зору спостерігача. У своїй роботі Вільчек припустив, що атоми кристала також можуть мати подібну симетрію — проте не просторову, а часову, змінюючи і повертаючись у своє початкове становище.

У 2017 році з’явилися перші дослідження, які намагалися перевести його теорію на практику. Проте ті кристали часу «виживали» лише за умов, створених дослідниками, що дозволяло заявляти існування реальних часових кристалів.

Проте, початок було покладено — вчені зрозуміли, що часові кристали — це не фантазія, і за правильних умов цей стан матерії можна отримати в лабораторії.

Якщо говорити коротко, то це нова форма матерії, яка повністю перевертає наші знання про світ, адже вона порушує закон термодинаміки Ісаака Ньютона. Це квантовий об'єкт, який сам собою в природі не з’явиться через складну комбінацію його складових.

Звичайний кристал складається з атомів, які збираються в форми, що повторюються — кристалічні решітки. Ці форми дублюють одна одну у просторі, збираючись у єдину матерію — кристал. Часовий кристал — це, грубо кажучи, кристал у 4D, який дублює свою форму не лише у просторі, а й у часі.

Від звичайної матерії часові кристали відрізняються тим, що рухаються навіть у стані спокою. М’яч не полетить, якщо його не кинути, не вдарити чи не здмухнути вітром — щоб він почав рухатися, треба, щоб щось інше додало йому кінетичну енергію. Часові кристали рухаються навіть у своєму основному стаціонарному стані. Тобто вони рухаються в принципі, не споживаючи енергії.

Класична фізика свідчить, що Всесвіт постійно рухається у бік ентропії — як м’яч, який летить після удару, однак рано чи пізно завмре через брак енергії. Проте темпоральні кристали — продукт не класичної, а квантової фізики, тому вони не підкоряються цьому правилу.

Уявіть кубик льоду і чашку з водою кімнатної температури. Кинувши лід у чашку, ми розуміємо, що згодом лід розчиниться, а вода стане прохолоднішою. Мине ще трохи часу і вода знову повернеться до свого первісного стану. Після всіх маніпуляцій ви отримуєте воду кімнатної температури як на самому початку.

Ізолювавши кубик льоду та чашку з водою від інших зовнішніх сил, вода все одно завжди розтоплюватиме кубик льоду. Насправді ентропія збільшується ще більше, адже ми живемо не в ізольованому світі — навколо нас постійно вибухають зірки, а чорні дірки поглинають інші чорні дірки, створюючи таким чином неймовірну кількість енергії, яка так чи інакше впливає на все, що нас оточує.

Проте кристали часу вищі за якісь там закони фізики. Якщо продовжувати аналогію з льодом, то часовий кристал — це така форма матерії, яка може бути льодом, розчинитись у воді, а потім знову стати льодом. А потім знову водою. І знову льодом. І все це без будь-яких втрат та використання енергії. Якщо ви отримаєте в своє розпорядження м’яч із часових кристалів, то навряд чи зможете покласти його у себе на балконі — він постійно літатиме і рано чи пізно розіб'є вікно і полетить.

Кристали часу порушують рух у бік ентропії, якому підкоряється абсолютно «звичайна» матерія у Всесвіті. І, що найкрутіше, вони можуть це робити всередині ізольованої системи — тобто фактично в процесорі квантового комп’ютера.

Як вченим вдалося створити часовий кристал?

Вчені використали модель Ізінінга, що складається з ґрат, місця в якій займають намагнічені частки. Магнетизм виникає через якість електронів, які називаються спіном. Спіни можуть дивитися «вгору» або «вниз» — при цьому вони взаємодіють між собою і «хочуть» вирівнятися відносно один одного.

Дослідники з’ясували, що певні «удари» лазера по цій решітці змушували частки змінювати свої фази, адже таким чином до системи потрапляє енергія, яка змушує електрони обертатися і робить систему нестабільною. Згодом вчені помітили, що після впливу лазера різні візерунки зі спінів формували патерни, які періодично повторювалися. Причому вони повторювалися незалежно від енергії, яку в систему приносив лазер — важливим був сам факт його «удару», а не його сила.

Зрештою, останньою точкою стала робота вчених із командою Google Quantum AI. Ключовою ознакою ідеального часового кристала є те, що він показує невизначені коливання всіх станів. Дослідники використали квантовий процесор Sycamore, запрограмувавши 20 кубітів, станами яких вони керували за допомогою мікрохвильового випромінювання.

Вони розробили програму для перевірки понад мільйон станів часового кристала, яка проходила приблизно за мілісекунду часу завдяки можливостям квантового процесора. Це можна порівняти з переглядом фізичного кристала, який потрібно обертати в руках, щоб подивитися на нього з усіх боків. Проте, як би його не крутили, його структура повторюватиметься з усіх боків.

«Нам вдалося використати універсальність квантового комп’ютера, щоб допомогти нам проаналізувати його власні обмеження. Фактично, він сам підказував нам, як виправити помилки, щоб ми могли встановити відбиток ідеальної часово-кристалічної поведінки на основі спостережень за певний час», — каже Родеріх Месснер, директор Інституту фізики складних систем Товариства Макса Планка та один із співавторів дослідження.

І що тепер?

Таким чином, вчені зробили невеликий крок у бік захопливого майбутнього — з розгадками найскладніших загадок Всесвіту, варп-двигунами, які дозволять нам переміщатися на Марс і назад за кілька годин, проривними дослідженнями в медицині та інших науках — наприклад, потенційним об'єднанням квантової та класичної фізики.

Часові кристали можуть повністю змінити наше сприйняття часу. Ніхто не говорить про машину часу, проте Четан Наяк, голова дослідницької групи Microsoft Station Q і професор із Каліфорнійського університету, упевнений, що це відкриття потенційно допоможе нам краще зрозуміти природу часу.

«Скільки б ви не намагалися ставитися до [часу] як до іншого виміру, він завжди є чимось особливим», — каже він. Темпоральні кристали — це перший випадок, коли «час раптово виявляється лише одним із членів банди».

Для вчених досягнення полягає не лише у створенні нового стану матерії — вони переконалися, що сфері є, що запропонувати світові.

«Ми вважаємо, що на цей момент найперспективнішим полем для застосування квантових комп’ютерів є використання їх як платформи для квантової фізики. Завдяки унікальним можливостям цих систем є шанс відкрити якесь нове явище, про яке ви не здогадувалися», — коментує успіх роботи Маттео Іполіті, науковий співробітник Стенфордського університету.

Нині ми маємо велику перевагу — реальні прототипи квантових комп’ютерів, у яких ми можемо протестувати цю нову матерію, а також інші квантові. Якщо вони спрацюються — що ж, це будуть чудові новини!