В июле 2021 года Google объявила о создании временного кристалла в квантовом компьютере — событии, которое назвали возможным прорывом в физике. Концепция сложна даже для учёных, но если разбить её на части, становится понятнее.
Физик с идеей
В 2012 году Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек предложил идею вещества с временной периодичностью — временных кристаллов. Обычные кристаллы повторяют структуру в пространстве, а эти должны повторять узоры во времени.
Он предположил, что в основном состоянии квантовая система может нарушать временную трансляционную симметрию, подобно тому как снежинки нарушают симметрию жидкой воды, формируя лучи.
Поначалу коллеги отнеслись скептически, но термин «временной кристалл» оказался слишком интересным, чтобы идея исчезла.
Основные правила
Позже учёные ввели понятие дискретных временных кристаллов, которые могут нарушать временную симметрию под воздействием лазера или другой периодической силы.
Для признания объекта временным кристаллом нужны два условия:
Устойчивость — сохранение состояния при внешних колебаниях.
Отсутствие нагрева — защита от теплового воздействия с помощью локализации многих тел (MBL), которая препятствует потере стабильности.
После уточнения концепции исследования возобновились, и многие команды попытались создать такие кристаллы на практике.
Новый подход к временным кристаллам
В 2016 году две группы учёных заявили о создании дискретных временных кристаллов.
В Университете Мэриленда команда Кристофера Монро использовала цепочку ионов итттербия-171 и лазерное воздействие. Частицы начали колебаться с собственной периодичностью, устойчиво сохраняя ритм до определённого предела.
В Гарварде группа Михаила Лукина применила другой подход — дефекты в алмазе (центры азот-вакансия) и микроволновое излучение для управления спинами электронов.
Подобные эффекты наблюдали и в других экспериментах, а также нашли намёки на их существование в природных кристаллах. Однако многие учёные хотели более надёжного подтверждения, поэтому обратились к квантовым компьютерам.
Что особенного во времени?
Чтобы понять временные кристаллы, важно разобраться с природой времени. Оно — четвёртое измерение, через которое мы движемся постоянно, но не можем «остановиться» или выйти из него.
Ещё Аристотель писал, что время разрушает всё. Ньютон различал «абсолютное» время, существующее в математике, и «относительное», которое мы измеряем движением объектов. Эйнштейн объединил время и пространство в теорию относительности и показал, что гравитация искривляет время.
Это подтверждают GPS-спутники: их часы идут немного быстрее из-за слабой гравитации, но медленнее из-за высокой скорости, и система корректирует эти различия.
Учёные задаются вопросом — можно ли «потрогать» время или наблюдать его напрямую? В Германии, возможно, удалось заснять его проявление на видео.
Временной кристалл на камеру
В 2021 году в Институте Макса Планка в Штутгарте удалось создать и снять на видео временной кристалл из магнонов — квазичастиц, колебавшихся в идеальном ритме.
Кристалл существовал при комнатной температуре и принимал в свою «структуру» новые магноны, синхронно колебавшиеся вместе с ним. Это показало, что временные кристаллы могут быть более устойчивыми и распространёнными, чем предполагалось.
В том же году команда института участвовала в проекте Google по созданию временного кристалла с помощью квантового компьютера.
Что такое квантовый компьютер?
В отличие от обычных компьютеров, квантовые используют кубиты, которые могут быть в состоянии 0, 1 или обоих одновременно (суперпозиция). Связанные кубиты (запутанность) позволяют проводить вычисления значительно быстрее.
Google разработала квантовый компьютер Sycamore с 54 кубитами (53 рабочими). Он хранится в сверхнизких температурах в специальном криостате. В 2019 году Sycamore выполнил задачу за 3 минуты 20 секунд, на которую суперкомпьютеру IBM понадобились бы тысячи лет.
Однако реальной пользы для науки квантовые компьютеры пока приносили немного — до экспериментов с временными кристаллами.
Квантовые кристаллы в алмазе
В 2021 году нидерландский институт QuTech создал временной кристалл из 9 кубитов на основе ядерных спинов в алмазе. Он существовал около 8 секунд, но в идеально изолированной системе мог бы сохраняться бесконечно.
Эксперимент проводился независимо от Google, но показал разнообразие подходов к созданию временных кристаллов.
Эксперимент Google
Летом 2021 года Google создала временной кристалл из 20 кубитов в квантовом компьютере Sycamore. Он существовал лишь 0,8 секунды, но за это время учёные наблюдали более миллиона квантовых состояний, в том числе моделировали «обратное течение» времени.
Хотя кристалл разрушался из-за внешнего вмешательства, он соответствовал всем критериям настоящего дискретного временного кристалла. Результаты опубликовали в журнале Nature.
Нарушают ли они законы термодинамики?
Некоторые СМИ заявили, что временные кристаллы нарушают законы термодинамики и создают вечный двигатель. На самом деле это не так.
Законы термодинамики работают в макромире, но в квантовой физике действуют особые условия. Временной кристалл не создаёт энергию из ниоткуда, а работает в системе, где энергия сохраняется, что можно считать своеобразной «лазейкой».
Зачем они нужны?
Вечный двигатель из временных кристаллов не получится — они находятся в состоянии минимальной энергии. Но их стабильность может пригодиться в квантовых компьютерах.
Сейчас кубиты легко теряют устойчивость из-за декогеренции. Временные кристаллы могли бы заменить их, обеспечивая стабильное запутанное состояние без потери энергии. Это открыло бы путь к сверхэффективным квантовым вычислениям, новым открытиям в химии, медицине, энергетике и даже к технологиям межзвёздных полётов.
