Ученые google заявляют что им удалось создать кристалл времени внутри квантового компьютера
В июле этого года была опубликована статья вызвавшая огромный резонанс в мире физики. Исследователи из корпорации Google совместно с учеными из Принстона и Стэнфорда заявили, что сумели создать кристалл времени внутри самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера Google Sycamore. Если статья пройдет проверку научного сообщества, мы станем свидетелями появления новых потрясающих технологий значение которых, сможем оценить лишь со временем. По крайней мере будет сделан еще один шаг к созданию высокопроизводительных квантовых процессоров. Чем же так интересен кристалл времени и какую роль его открытие сыграет в мире физике. Первооткрывателем кристаллов времени был известнейший физик-теоретик, Нобелевский лауреат профессор Массачусетского технологического института Фрэнк Вильчек.
Согласно теории относительности помимо трехмерного пространства, с которым мы сталкиваемся ежедневно, это всем известные высота, ширина, глубина, существует еще четвертое измерение время. Упрощенно кристаллы это твердые вещества, где группы атомов повторяющие свою структуру в пространстве. Фрэнк Вильчек в 2012 году высказал предположение, что кристаллы могут существовать не только во всеми нами известном трехмерном пространстве но и строить свои кристаллические решетки во времени. По началу к идеи Вильчека, как и наверное ко всякой новой теории, отношение в научном мире было довольно скептическим. Однако в 2017 году теория о кристаллах времени получила свое экспериментальное подтверждение. Сразу две независимых группы ученых подтвердили их существование. Чем же так необычны кристаллы времени, что некоторые исследователи заговорили о них, как новой формой материи. Дело в том кристаллы времени могут менять свое состояние. К примеру, на рисунке изображен шестиугольник, через какой то промежуток времени те же линии образуют восьмиугольник, затем опять шестиугольник и т.д., при этом никакая энергия в пространство не выделяется. Теоретически в изолированной системе кристалл времени может меняться бесконечно. Правда это вечное «движение» не выделяет полезную энергию, которую можно было бы использовать, так что, говорить о возможности появлении вечного двигателя преждевременно. Тем не менее, это бесконечное «колебание» очень похоже на первый пример «неравновесной» материи, которая не может успокоиться и обрести «покой, гармонию и равновесие», и постоянно находиться в своеобразном движение. Это как вечно колеблющаяся порция желе. Открытие кристаллов времени показывает насколько может быть разнообразна материя во Вселенной. Правда ученые говорят, что кристаллы времени вряд ли сами по себе существуют в природе, но с учетом того, что о Вселенной мы знаем очень и очень мало, возможно где то существует планета, состоящая из кристаллов времени, этакое огромное трясущееся желе вращающееся вокруг какой то звезды. Фантастика скорее всего, но было б интересно слетать и посмотреть на такую планету, не правда ли?
Редко выпадает такая удача, что физическая идея возникает на кончике пера, а затем подтверждается экспериментально, спустя считанные годы. Наиболее известным примером такого рода является позитрон, первая античастица. Поль Дирак предсказал существование позитрона в 1930 году, и уже в 1931 Карл Андерсон получил и описал такую античастицу – за что в 1932 году Поль Дирак был удостоен Нобелевской премии по физике.
Совсем недавно схожая история произошла с Фрэнком Вильчеком, который в 2012 году задумался о существовании кристаллов времени.
Фрэнк Вильчек (род. 1951) – один из крупнейших физиков нашего времени, тот, кто остается не только «ныне живущим», но и активно работающим много после обретения заслуженной Нобелевки «за открытие асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий» (в 2004, совместно с Дэвидом Гроссом и Дэвидом Политцером). Вильчек продолжает преподавать теоретическую физику, ныне в Массачусетском технологическом институте, пишет отличный научпоп – причем, я был непосредственным вдохновителем и куратором издания «Тонкой физики» на русском языке в 2018 году. Гибкость ума и незашоренность Вильчека поражают, поэтому я не удивлен, что именно ему в голову пришла идея о «кристаллах времени», высказанная им в 2012 году. Уже в 2016 году было подтверждено существование такой материи, вернее такого состояния вещества.
Я набрел на идею кристаллов времени около полутора лет назад, размышляя о том, похожа ли на трехмерный кристалл тень невидимого четырехмерного кристалла, которую он мог бы отбрасывать в привычном нам мире. Оказалось, что открытие Вильчека связано не столько с тенями гиперкристаллов, сколько с псевдо-вечным двигателем, квантовыми вычислениями и парадоксальным нарушением временной симметрии – поэтому я решил раскрыть здесь тему кристаллов времени немного подробнее.
Что такое кристалл времени
Один из экспериментов, в результате которого появился первый кристалл времени
Вкратце, временные кристаллы — это объекты, которые проявляют свойства кристаллов как в пространстве, так и во времени.
Чтобы понять их свойства, можно сначала убрать четвертое измерение, время, и рассмотреть обычный трехмерный кристалл. Что это такое? Набор атомов, расположенный в определенной повторяющейся, систематической последовательности.
Скажем, кубики льда. Прежде чем вода кристаллизуется, пространство, которое она занимает, является однородным. Вы можете взять пробу снизу, сверху или где-нибудь в середине стакана, и получить одну и ту же бесформенную массу. Что является одним способом показать то, что пространство демонстрирует симметрию.
Тем не менее, когда вода кристаллизуется, атомы образуют жесткие заданные структуры. Пространство, занимаемое кристаллом, стало периодическим, у него есть некоторый алгоритм. Кристалл нарушил пространственную симметрию, потому что он показывает повторяющиеся узоры в некоторых направлениях.
Точно так же, как атомные решетки обычных кристаллов повторяют регулярные узоры в пространстве, кристаллы времени повторяют регулярные узоры во времени. На практике это означает, что они демонстрируют так называемую временную периодичность, колеблясь между одной и другой энергетической конфигурацией, как часы.
Франк Вильчек
Гипотезу о существовании временных кристаллов в 2012 году выдвинул лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вильчек. Он представил материю, в которой, при всей внешней стабильности, происходят некие энергетические колебания. То есть, она меняется не в пространстве, а во времени. Вильчек говорил, что такие структуры могут существовать, если они получают энергию для своей осциляции из разлома в симметрии времени. По его расчетам, атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя одинаковые интервалы, тем самым нарушая временную однородность (симметрию).
Кубик льда — довольно редкое явление в природе. У него низкая энтропия, он склонен к разрушению. То же самое и с временными кристалами: найти их в природе, по крайней мере на Земле, невозможно. Сам факт их существования представлялся крайне сомнительным. Структуры казались слишком эфемерными и далекими от реальности.
Точно так же, как физика допускает спонтанное образование кристаллов, периодичность которых нарушает симметрию (однообразность) пространства, также она должна допускать спонтанное образование временных кристаллов, периодичность которых нарушает симметрию времени. Согласно Вильчеку, это проявится в периодическом колебании различных термодинамических процессов.
Вильчек представил систему в ее минимально возможном энергетическом состоянии, фактически замороженную в пространстве. Как нормальный кристалл, только полностью изолированный от пространственных колебаний. Тогда его колебания во времени можно будет засечь.
Идея казалась довольно странной — новый вид материи, отличающийся от других своим поведением в четвертом измерении. Но в сентябре 2016-го группа ученых в лаборатории Мэрилендского университета в Колледж-Парке неожиданно подтвердила теорию Вильчека. Они создали первый временной кристалл. Для этого использовалось кольцо ионов иттербия, охлажденных почти до абсолютного ноля (0,0000000001 К). В структуре было зафиксировано нарушение временной симметрии.
Изображение эксперимента в Мэрилендском университете
Новая материя действительно показывала необычные свойства. Когда на кристалл времени оказывалось воздействие с определенным периодом или частотой, он не реагировал на той же частоте, а модифицировал её «под себя». Если лазер подавал импульс на цепочку ионов (формирующую кристалл времени) каждые десять секунд, эти ионы реагировали с периодом не в десять, а в двадцать, тридцать, сорок секунд. Или другое число, кратное первоначальному периоду.
Можно представить три ребенка, прыгающих через веревку. Андрей и Ваня её раскручивают, а Катя прыгает. Каждые три секунды руки ребят делают полный круг и возвращаются в свое изначальное положение. Веревка обходит Катю, ей нужно один раз подпрыгнуть. Между объектами установлена симметрия во времени, период которой равен трем секундам.
Теперь, чтобы представить временной кристалл, нужно нарушить эту временную симметрию. Система будет реагировать на другой частоте. Руки Андрея и Вани совершают несколько полных оборотов, а веревка делает только один оборот. То есть, они прокрутили веревку четыре раза, но Кате нужно перепрыгнуть только один раз. Что довольно-таки странно (хотя и не так странно, как квантовая механика, в правильности которой теперь мало кто сомневается).
После группы из Мэрилендского университета успешный эксперимент с созданием кристаллов времени провели их коллеги из Гарварда. Они использовали совершенно другую экспериментальную установку с плотно упакованным азот-вакансионными центрами в алмазах. И снова — временные кристаллы получилось создать, пусть и в нано-масштабе.
Установка для создания временного кристалла из Гарварда
Система тут была сложнее, атомов в ней — больше, и она хорошо демонстрировала это необычное свойство временного кристала: отклик на взаимодействие с интервалом, превышающим интервал взаимодействия. Структуру облучали лазером с интервалом T, а материал реагировал с интервалом 2T. Это крайне странное свойство, которое отсутствует в обычных материалах. Можно представить кубик желе, который начинает колебаться только со второго щелчка.
При этом новый тип материи очень четко и структурированно переходил из одной конфигурации в другую, как часы. Поэтому ученые предполагают, что в итоге из временных кристаллов можно будет делать устройства для измерения времени (атомные часы). Их также думают использовать в качестве средства хранения памяти, «жесткого диска» в квантовых компьютерах. Собственно, обе команды, из Мэрилендского университета и из Гарварда, до этого занимались квантовыми компьютерами. Поэтому, по их словам, им и удалось так быстро переключиться на временные кристаллы. Системы используют одни и те же принципы, разрабатываются похожим образом, и кажутся как будто созданными друг для друга.
Норман Яо, физик из Калифорнийского университета в Беркли, который в 2017-м впервые опубликовал схему для создания и отслеживания временных кристаллов, а также помогал команде Гарварда, рассказывает:
Последние полвека мы исследовали только временно-равновесное вещество, как в металлах и диэлектриках. Мы только сейчас начинаем изучать целый новый мир неравновесного вещества.
Чуть более детальный разбор свойств и методов получения временных кристаллов на Хабре можно найти вот тут. А ещё подробнее — тут (на английском).
На правах рекламы
Ни в коем случае не призываем вас покупать услуги дата-центра именно у нас. Наоборот, обязательно сравнивайте разных поставщиков. Просто в сравнительную таблицу не забудьте добавить и аренду стоек от ITSOFT.
Группа исследователей из Стэнфорда, Принстона и других университетов, которые сотрудничают с лабораторией квантовых вычислений Google, объявила о создании первого кристалла времени на квантовом процессоре. Научная работа опубликована 28 июля 2021 года в онлайне (arXiv:2107.13571v1).
«Есть все основания полагать, что ни один из этих экспериментов не увенчался полным успехом, и квантовый компьютер поможет сделать это намного лучше, чем те ранние эксперименты», — прокомментировал нынешнее открытие физик Джон Чалкер из Оксфордского университета, который не принимал участия в исследовании. Новая демонстрация кристалла времени знаменует собой один из первых случаев, когда квантовый компьютер Google выполнил полезную работу.
Наблюдение дискретного временного кристалла, локализованного во многих пространственных формах. Из научной статьи
Кристалл времени расширяет определение того, что такое фазовое состояние. Все другие известные фазы находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы переходят в состояние с наименьшей энергией, допустимой при температуре окружающей среды, и их свойства не меняются со временем. Кристалл времени — первая «неравновесная» фаза: она обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбуждённом и эволюционирующем состоянии, пишет Quanta.
Кроме второго закона термодинамики, кристалл времени нарушает симметрию обращения времени или Т-симметрию — это математическое преобразование в физике, при котором обращается знак переменной времени t. Гипотеза состоит в том, что законы физики не изменяются в ходе такого обращения, то есть остаются неизменными в прошлом и будущем. Все массы и заряды, а также остальные константы, не связанные со слабым взаимодействием, тоже обладают симметрией при обращении времени. Но кристалл времени испытывает периодическое движение, возвращаясь к своей начальной конфигурации через регулярные промежутки времени.
В статье 1982 года физик Ричард Фейнман предположил, что квантовые компьютеры могут быть использованы для моделирования частиц любой мыслимой квантовой системы. Кристалл времени является примером такого видения. Это квантовый объект, который сама природа, вероятно, никогда не создаст, учитывая сложное сочетание ингредиентов. Такое состояние вещества родилось исключительно в воображении физиков, а именно у лауреата Нобелевской премии физик Фрэнка Вильчека в 2012 году.
Поскольку обычные кристаллы нарушают пространственную симметрию природы, Вильчек предположил, что они могут нарушать также и симметрию времени. Уравнения показали, что такое возможно, а сейчас идея близка к практическому подтверждению.
Если новое исследование выдержит проверку экспертов и кому-то удастся использовать кристаллы времени на практике, то квантовые компьютеры докажут свою практическую пользу. По мнению учёных, нарушение второго закона термодинамики может иметь глубокие последствия для мира квантовых вычислений: «Такое стабильное состояние необычно, а необычные вещи становятся полезными», — говорит Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене и соавтор научной работы.
Квантовые временные кристаллы – это не что иное, как новая «фаза материи», о которой уже несколько лет теоретизируют специалисты. Группа ученых в сотрудничестве с лабораторией квантовых вычислений Google заявляет, что они создали первый в мире «Кристалл времени» внутри квантового компьютера.
Если бы вы сегодня выпили кофе из Starbucks, возможно, вы попросили бы немного молока или сливок, которые, в конечном итоге, растворятся в кофе, вместо того, чтобы оставаться сверху, позволяя всей системе прийти в равновесие. Это непреодолимое стремление к тепловому равновесию, описанное во втором законе термодинамики, отражает тот факт, что все вещи имеют тенденцию двигаться к менее полезным, случайным состояниям. Со временем системы неизбежно вырождаются в хаос и беспорядок, то есть в энтропию. Вроде как жизнь. Все начинается отлично, потом все идет к черту. Но, что, если случится что-то, что перевернет все с ног на голову? Что, если молоко или сливки не смешались. Что, если бы они так и остались наверху?
Вернемся к чашке кофе. Ученые утверждают, что кристаллы времени не достигают теплового равновесия. Вместо того, чтобы медленно деградировать в сторону случайности, они застревают в двух высокоэнергетических конфигурациях, между которыми они постоянно переключаются – и этот возвратно-поступательный процесс может продолжаться бесконечно.
В этом сценарии команда Google представила монеты в коробке с кубитами (единицами квантовой информации), вращающимися вверх и вниз в замкнутой системе; и вместо того, чтобы встряхивать коробку, они применили набор определенных квантовых операций, которые могут изменить состояние кубитов, которые они повторяли много раз.
Вот где кристаллы времени бросают вызов всем ожиданиям. Глядя на систему после определенного количества операций или встряхиваний, можно обнаружить, что конфигурация кубитов не случайна, а скорее похожа на исходную. «Первый ингредиент, из которого состоит кристалл времени, – это то, что он помнит, что делал изначально. Он не забывает», – говорит фон Кейзерлингк, – «Система «монеты в коробке» об этом забывает, а система с кристаллами времени – нет».
В отличие от монет в шкатулке, которые запутались и оседают примерно на половину решкой и наполовину орлом, они нарушают закон энтропии, застревая в особом состоянии кристалла времени. Второй закон термодинамики гласит, что этого просто не может произойти, но временные кристаллы, похоже, не обращают внимания на энтропию. Задумайтесь над этим на мгновение.
Кристаллы времени вызывают интерес с 2012-го года, когда о них начал думать лауреат Нобелевской премии профессор Массачусетского технологического института Франк Вильчек; и эта теория неоднократно опровергалась, обсуждалась и снова опровергалась. Только в прошлом месяце команда из Делфтского технологического университета в Нидерландах опубликовала предпечатную версию, показывающую, что они построили кристалл времени в алмазном процессоре, хотя и меньшую систему, чем та, о которой заявляет Google. Конечно, есть некоторые предостережения. Как и все квантовые компьютеры, процессор Google по-прежнему страдает от декогеренции, которая может вызвать распад квантовых состояний кубитов.
И одно можно сказать наверняка: кристаллы времени не будут находиться в наших жилых комнатах в ближайшее время, поскольку ученым еще предстоит найти для них однозначно полезное применение. Тем не менее, если то, что сделал квантовый компьютер Google, может быть воспроизведено, тогда кристаллы времени не просто реальны, но они действительно могут быть использованы в реальном мире.
Трудно вообразить последствия такой технологии только для компьютерной памяти, а тем более для самой компьютерной обработки. Статья о кристалле времени остается в предварительной печати и по-прежнему требует экспертной оценки.
Совершенно новое состояние вещества
Норман Яо из Калифорнийского университета в Беркли, описавший потенциально возможный кристалл времени, заявил, что в данном случае речь идет о принципиально новом состоянии вещества – такое вещество постоянно находится в неравновесном состоянии. Этим она отличается от таких веществ как проводники и изоляторы, состояние которых в любой момент времени равновесно. Соответственно, и свойства подобного вещества должны быть удивительны.
Опираясь на выкладки Яо, группа ученых из университета Мэриленда под руководством Кристофера Монро в 2016 году создала цепочку из 10 ионов иттербия, спины электронов в которой были запутаны – и здесь мы обнаруживаем сходство кристаллов времени с кубитами, ключевой составляющей квантовых компьютеров, о чем еще поговорим ниже. Для поддержания цепочки в неравновесном состоянии, Монро с коллегами воздействовали на нее двумя источниками лазера, один из которых генерировал в системе магнитное поле, а другой переворачивал спины электронов. Поскольку все электроны были запутаны, в цепочке возникала повторяющаяся структура колебаний. При этом трансляционная темпоральная симметрия нарушалась именно так, как это должно происходить в кристалле времени – изменение спина ионов происходило вдвое чаще, чем воздействие лазерных импульсов.
Меняя показатели электрического поля и периодичность лазерных импульсов, можно менять фазы кристалла времени, что эквивалентно изменению агрегатного состояния в пространственном кристалле – например, переходу из твердого состояния в жидкое.
Аналогичный опыт поставила группа под руководством Михаила Дмитриевича Лукина из Гарвардского университета, но использовала не иттербий, а особые зазоры в кристаллической решетке алмаза, так называемые «азотозамещенные вакансии».
Синим цветом обозначены спины электронов в азотозамещенной вакансии. Затем на систему воздействует электромагнитный импульс, и электроны вступают во взаимодействие, из-за чего «узор» спинов меняется. Но после следующего микроволнового импульса спины электронов в вакансии возвращаются в исходное состояние.
При кажущемся сходстве разница между экспериментами Монро и Лукина принципиальна – алмаз Лукина существует при комнатной температуре, тогда как для возбуждения квантовых осцилляций в металле образец, как правило, приходится охлаждать до нанокельвинов. Кроме того, такой алмаз сравнительно легок для производства.
В 2019 году Ник Трегер из института Макса Планка (Германия) и Павел Грушецки из института Адама Мицкевича (Польша) получили кристалл времени, достигавший нескольких микрометров в размере – он получился настолько крупным, что его даже удалось сфотографировать и заснять в динамике.
Этот кристалл времени был создан из магнонов, квазичастиц, ассоциированных с волной электронных спинов в магнитном материале. Магноны подобны фотонам – они являются квантами магнитного поля, точно, как фотоны являются квантами света.
Трегер выбрал для эксперимента магноны, поскольку они гораздо крупнее фотонов и поддаются прямому измерению при помощи микроскопа. Кроме того, магноны можно получать при комнатной температуре
Магноновый кристалл времени Трегера и Грушецки был получен в магнитной ленте, к которой была прикреплена микроскопическая антенна, генерировавшая осциллирующее магнитное поле на основе поступавших на нее радиочастотных импульсов. В результате удалось заснять колебания, обладающие как пространственной, так и временной периодичностью.
Что сейчас
Совместная немецко-польская команда смогла создать гораздо (в несколько миллионов раз) больший кристалл времени, чем раньше. Причем при комнатной температуре. Они получили новый тип материи путем сильной однородной микроволновой накачки мазером полосы пермаллоя микронного размера. Их кристалл состоит из магнонов — квазичастиц, связанных со спином электронов в магнитном материале. Один из ученых, Ник Трегер, говорит, что проще всего осмыслить эту концепцию, представив магноны как аналог фотонов. Точно так же, как фотоны — это квантование света, магноны — это квантование спиновой волны внутри магнитного материала.
В своем эксперименте Ник Трегер, Павел Грушецкий и другие поместили маленькую полоску магнитного материала на микроскопическую антенну, через которую они посылали радиочастотный ток. Это микроволновое поле вызвало колеблющееся магнитное поле — источник энергии, который стимулировал в полоске магноны (квазичастицы спиновой волны).
Магнитные волны перемещались по полоске налево и направо, периодически спонтанно формируясь в повторяющийся узор в пространстве и времени. В отличие от обычных стоячих волн, этот узор формировался еще до того, как две сходящиеся волны могли бы встретиться и пересечься. Вывод: эта закономерность, узор, который регулярно исчезает и снова появляется сам по себе, должен быть квантовым эффектом. Собственно, его мы и можем наблюдать на выпущенном учеными видео:
Ник Трегер говорит в интервью, выложенном на сайте Института интеллектуальных систем Макса Планка:
Это, конечно, немного странно и сбивает с толку. Но, вкратце, мы индуцируем магноны в полосе с помощью антенны поверх структуры. То есть, все, что вы можете увидеть в этом видео, представляет собой периодический узор (формируемый магнонами). Он следует собственному периодическому движению в пространстве-времени, то есть формирует временной кристалл.
Гизела Шютц, директор Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, возглавляющая отдел современных магнитных систем, в статье отмечает уникальность рентгеновской камеры «Максимуса», которая смогла запечатлеть этот снимок:
Она не только может видеть фронты волн с очень высоким разрешением, в 20 раз четче, чем лучший световой микроскоп. Она может делать это со скоростью до 40 миллиардов кадров в секунду, а также с чрезвычайно высокой чувствительностью к магнитным явлениям.
Павел Грушецкий, ученый с физического факультета Университета Адама Мицкевича в Познани, говорит:
Мы смогли показать, что пространственно-временные кристаллы намного более устойчивые и распространенные, чем ранее полагалось. Наш магнонный кристалл формируется при комнатной температуре! И частицы могут взаимодействовать с ним — в отличие от изолированной системы, создаваемой при абсолютном ноле. Более того, он достиг размера, который можно было бы использовать. Такой эксперимент открывает массу потенциальных полезных применений для этого нового вида материи.
Йоахим Грефе, последний автор публикации в Physical Review Letters, делает вывод:
Классические кристаллы, как мы знаем, имеют очень широкую область применения. Теперь мы видим, что существуют кристаллы, которые могут проявлять свои свойства не только в пространстве, но и во времени. Это позволяет добавить еще одно измерение для возможных вариантов их использования.
Мне кажется очевидным, что временные кристаллы будут полезны там, где нужны очень эффективные устройства для частотных манипуляций или проведения точных отсчетов. Потенциал для технологий связи, радаров или квантовых машин — огромен.
Наши коллеги также в восторге от того, как эти структуры можно применять для исследования физики нелинейных волн. Но для начала сейчас мы хотим получить более фундаментальное понимание временных колебаний кристаллов пространства-времени. И только после этого будем думать о том, как это можно использовать на практике.
Всем известно, что вечного двигателя не бывает
Как известно, вечный двигатель – это машина, которая может работать неограниченно долго без притока энергии извне, что запрещено законами физики. Тем не менее, на уровне квантовой физики все несколько иначе, чем на уровне классической. Например, в сверхпроводнике заряженные частицы могут двигаться неограниченно долго, но при этом они будут находиться в самом низком энергетическом состоянии, и поток их будет оставаться совершенно ровным. Соответственно, можно было бы создать и квантовую версию кристалла времени, который был бы похож на кольцо из бесконечно вращающихся атомов, проходящих целый цикл и возвращающихся в исходную конфигурацию. Свойства атомов оставались бы синхронизированы неограниченно долго, подобно тому, как соотносятся позиции атомов в пространственном кристалле. Система находилась бы в самом низком энергетическом состоянии, но для поддержания ее движения не требовалось бы никаких внешних сил. В сущности, это был бы настоящий вечный двигатель, из которого, однако, совершенно не извлекается полезная энергия.
Вильчек осознавал, что в этой картине есть изъян — и действительно, в 2015 году Масаки Осикава и Харуки Ватанабэ из Токийского университета сформулировали теорему, согласно которой ни в одной системе, достигшей самого низкого энергетического состояния, формирование кристалла времени невозможно. Кроме того, было доказано, что кристалл времени не создать ни в одной системе, находящейся в равновесии.
Наяк с коллегами показали, что кристаллы времени могут формироваться в неравновесной системе, точнее – в такой, где нарушено термическое равновесие. Такие квантовые сущности, именуемые «системами Флоке», никогда не нагреваются и, соответственно, температурная характеристика к ним неприменима.
Систему Флоке можно сравнить с наполненным сосудом, к которому сверху прикреплен кубик льда, а снизу на сосуд воздействует горелка. Соответственно, на одной стороне сосуда жарко, а на другой холодно, и такая система находится не в равновесии. Стабильная температура в ней установится, как только кубик льда растает, а горелка выключится.
Физики из исследовательского центра Station Q в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре обнаружили, что в таких неравновесных системах Флоке могут возникать разнообразные состояния вещества, невозможные в равновесных системах и спонтанно нарушающие трансляционную темпоральную симметрию, то есть, образующие кристалл времени.
При этом – уходя от парадокса с вечным двигателем – отметим, что кристалл времени нуждается в притоке энергии извне, а также в материальной основе. То есть, нам требуется совокупность атомов, с которой мы будем работать. Мы сообщаем системе атомов энергию в виде квантовых порций, например, лазерных импульсов – и наблюдаем, образуются ли в ней паттерны, периодически повторяющиеся с течением времени. При такой постановке эксперимента важно, что периодичность изменений в кристалле времени не будет совпадать с периодичностью внешних воздействий; то есть, кристалл времени должен проявлять периодические свойства безотносительно (не)периодичности воздействий лазера.
Потенциальное практическое применение кристаллов времени
Итак, если выкладки Вильчека и Яо были чисто теоретической физикой, то кристаллы Монро, Лукина и Трегера являются типичными «proof-of-concept». Путь, проделанный от умозрительной идеи в 2012 году до первого поколения реальных кристаллов в времени в 2016 году и магноновых макроскопических кристаллов в 2019 году впечатляет – как бы наверняка отметил по этому поводу Галилей, «Eppur si muove» («И все-таки оно вертится»). Разумеется, из кристаллов времени не получится вечного двигателя, но возможности их практического применения уже отлично просматриваются и касаются, прежде всего, квантовых вычислений при помощи кристаллов Лукина. Притом, какие большие ожидания связаны с квантовыми вычислениями, необходимую для них квантовую запутанность очень легко нарушить в процессе записи и считывания информации. Но в кристалле времени квантовые состояния как раз стабилизируются, поэтому можно было бы подобрать такие фазы, которые позволяли бы возвращать кристалл в исходное состояние после операции ввода или вывода и таким образом стабилизировать кубиты. Возможность такой стабилизации была доказана в 2018 году сингапурскими учеными.
Наконец, существует целое направление исследований, связанных с топологической сверхпроводимостью. Возможно, кристаллы времени позволят удерживать кристаллическую решетку в таком состоянии, в котором она будет сохранять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре (о проблемах высокотемпературной сверхпроводимости я уже рассказывал в более ранней статье на Хабре). Подобные исследования, связанные со стабилизацией куперовских пар электронов, ведутся в Калифорнийском технологическом институте и институте Вейцмана в Израиле.
Впрочем, все эти находки могут оказаться лишь верхушкой айсберга. Во-первых, в 2020 году удалось осуществить контролируемое взаимодействие кристаллов времени, и выводы из этого открытия еще предстоит сделать. Во-вторых, Наяк и Яо продолжают разработку дискретных кристаллов времени, которые подчиняются законам классической, а не квантовой физики. Если эта работа увенчается успехом и позволит синтезировать кристаллы времени, не зависящие ни от квантовых флуктуаций, ни от декогеренции.
Мне бы очень хотелось, чтобы все это произошло при жизни Фрэнка Вильчека, и он был бы удостоен за свою идею второй Нобелевки. А затем написал бы об этом книгу. Уверен, это будет великолепная и бесконечно интересная книга.
Благодаря последнему прорыву, жутковатые колебания новой пульсирующей формы материи были впервые сняты на пленку с помощью специального микроскопа. Он позволяет нам увидеть эту странную, фазовую форму вещества, которая сильно отличается от привычных нам твердых тел, жидкостей, газов и плазмы.
Снимок сделал «Максимус», ультрамощный рентгеновский микроскоп в Центре Гельмгольца в Берлине. Он дает нам представление о поведении новых кристаллов времени, которые впервые были экспериментально созданы в лаборатории в 2016 году. Открытие обещает «выдающиеся новые прорывы в фундаментальных исследованиях», — говорится в материале, опубликованном немецко-польской командой в Physical Review Letters.
Что такое кристалл и что такое симметрия
Еще Плиний Старший в середине I века нашей эры обращал внимание на то, что образцы тех или иных минералов обладают определенной узнаваемой формой. Альберт Великий (1193-1280), один из величайших интеллектуалов и алхимиков средневековья, указал, что снежинки являются кристаллами, то есть, что вода переходит в кристаллическую форму при замерзании. Наконец, в 1669 году был сформулирован закон постоянства кристаллов (закон Стенона и Ромэ-де-л’Иля): «В кристаллах одного и того же вещества величина и форма граней, их взаимные расстояния и даже их число могут меняться. Однако углы между соответствующими гранями и ребрами остаются при этом постоянными».
Таким образом, на первый взгляд кристалл кажется примером спонтанно возникающей симметрии, которая отличает его от неструктурированной разнородной природы. На самом же деле все ровно наоборот: кристалл возникает в результате нарушения пространственной симметрии, когда атомы располагаются в виде решетки под действием окружающей среды. Вода более однородна, чем лед, а углерод более однороден, чем алмаз.
В привычном смысле «симметрия» обычно ассоциируется с балансом и гармонией. В физике и математике этот термин имеет более точное определение. Объект называется симметричным или имеющим симметрию, если существуют такие варианты его преобразования, которые могли бы изменить этот объект, но не меняют его. На первый взгляд такое определение может показаться странным или абстрактным, поэтому лучше пояснить его на примере. Рассмотрим круг. Если поворачивать круг вокруг его центра, в любом направлении, на любой угол, то визуально круг не изменится, хотя, возможно, все его точки успеют сдвинуться при таком преобразовании. Таким образом, круг обладает идеальной вращательной симметрией. Квадрат также обладает некоторой симметрией, но меньшей, чем у круга – квадрат требуется повернуть на 90 градусов, чтобы он принял такое же положение, как и до поворота. Эти примеры демонстрируют, как в математической концепции симметрии заключено ее обыденное понимание, но при этом такое определение становится гораздо точнее.
Второе достоинство симметрии заключается в том, что она располагает к обобщению. Идея симметрии применима не только к геометрическим фигурам, но и к законам физики. Закон обладает симметрией, если можно изменить контекст его применения, а сам закон при этом не изменится. Например, суть специальной теории относительности заключается в том, что миром управляют одни и те же физические законы, даже если наблюдать мир с различных точек, движущихся относительно друг друга с постоянной скоростью.
В контексте кристаллов (в том числе, кристаллов времени) важны преобразования иного рода, такие, которые называются «трансляциями». В то время как, согласно теории относительности, одни и те же физические законы действуют для разных наблюдателей, находящихся на движущихся платформах, пространственная трансляционная симметрия постулирует, что одни и те же законы физики действуют для наблюдателей, работающих в разных местах. Если переместить – или «транслировать» — вашу лабораторию на новое место, то убедитесь, что и там действуют привычные законы физики. То же касается и темпоральной (временной) трансляционной симметрии – она в данном контексте означает, что законы физики действовали в прошлом, действуют сейчас и продолжат действовать в будущем.
Таким образом, в 2012 году Вильчек выдал занимательную идею. Он задумался: если известные нам кристаллы нарушают пространственную симметрию, то возможно ли создать кристалл, который таким же образом нарушал бы симметрию во времени.
Такому объекту была бы присуща регулярность во времени, эквивалентная пространственной регулярности обычных кристаллов. Для кристалла времени такая регулярность заключалась бы в непрерывном «перещелкивании» одного из его физических свойств, наподобие бесконечного сердцебиения, что сразу напоминает нам о вечном двигателе.
Читайте также: