Кристаллы времени (не художественный образ, а реальное научное открытие!)

Физики подтвердили существование кристаллов времени

Кристалл времени – это особая фаза материи, которая постоянно меняется, но, похоже, не использует энергии.

Кристалл времени — это первая фаза «выхода из равновесия»: он обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбужденном и развивающемся состоянии.

Кристалл времени — это объект, части которого движутся в регулярном, повторяющемся цикле, поддерживает это постоянное изменение без сжигания какой-либо энергии. Вообще. Кристаллы времени также являются первыми объектами, которые спонтанно нарушают «симметрию перемещения во времени» – обычное правило, согласно которому стабильный объект будет оставаться неизменным на протяжении всего времени. Кристаллы времени одновременно стабильны и постоянно меняются через определенные промежутки времени.

Темпора́льный (временно́й) криста́лл — физическая система с нарушенной симметрией относительно сдвига во времени, приводящей к наличию периодического движения даже в состоянии с наименьшей энергией. Идея существования таких систем была выдвинута в 2012 годуФрэнком Вильчеком.  

Впервые квантовые темпоральные кристаллы были экспериментально продемонстрированы в 2017 году на основе неравновесных систем, периодически получающих энергию от лазерного или микроволнового излучения.  

Впервые физическая модель, реализующая квантовый темпоральный кристалл, была предложена в 2019 году на основе системы кубитов с многочастичными нелокальными взаимодействиями. Позже сообщалось о возможности создания темпоральных кристаллов, полностью описываемых законами классической физики. 

В 2021 году исследователи из Google вместе с учёными из Принстона, Стэнфорда и других университетов, заявили о создании темпорального кристалла внутри квантового компьютера. В ходе работы физики задействовали микросхему с двумя десятками кубитов, именно она выступала темпоральным кристаллом.

Кристалл времени – новая фаза материи, которую физики пытались реализовать в течение многих лет

Но обо всем поподробнее ...

В новом исследовании международная группа исследователей использовала квантовое вычислительное оборудование Sycamore компании Google, чтобы перепроверить свое теоретическое видение кристалла времени, и подтвердила, что он соответствует всем требованиям новой формы технологии, о которой мы еще только начинаем задумываться.

Итак, больше это не пустые разговоры и не голая теория. На прошлой неделе в авторитетном журнале Physical Review Letters опубликована научная статья старшего преподавателя (assistant professor) физики Калифорнийского университета в Беркли Нормана Яо (Norman Yao) с коллегами, в которой он приводит схему для создания кристалла времени и методику регистрации состояний, характерную именно для этой новой формы материи. 

Это исследование было опубликовано в журнале Nature - https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w.

О самом открытии: 

Подобно обычным кристаллам, состоящим из бесконечно повторяющихся единиц атомов, кристалл времени – это бесконечно повторяющееся изменение в системе, которое, что примечательно, не требует энергии для входа или выхода.

Хотя такая вещь близка к нарушению некоторых законов термодинамики, тот факт, что энтропия системы не увеличивается, означает, что она должна находиться на правильной стороне физики.

В реальности такой кристалл может выглядеть как некое колебание, которое не синхронизируется с остальными ритмами системы. Например, лазер, отбивающий ровный ритм на кристалле времени, может заставить спин его частиц переворачиваться только при каждом втором касании.

Это непокорное колебание является характерным поведением кристалла времени и использовалось в качестве доказательства разработки и производства кристаллов времени в прошлых экспериментах.

Но сложность огромного количества взаимодействующих квантовых объектов, каждый из которых раскачивается в своем собственном ритме, оставляет определенное пространство для объяснений, которые не обязательно зависят от тех же правил, которые лежат в основе физики кристаллов времени.

Поэтому, хотя это и маловероятно, мы не можем исключить, что система, которая изначально выглядит как кристалл времени, на самом деле может нагреваться в течение веков и в конце концов разрушиться.

Конечно, вы можете просто сидеть и смотреть, как ваш кристалл гудит, пока в конечном итоге не наступит тепловая смерть Вселенной. Или вы можете позволить квантовому компьютеру сделать эту работу за вас.

“Общая картина заключается в том, что мы берем устройства, которые должны стать квантовыми компьютерами будущего, и рассматриваем их как сложные квантовые системы сами по себе“, – говорит физик Стэнфордского университета Маттео Ипполити.

“Вместо вычислений мы используем компьютер в качестве новой экспериментальной платформы для реализации и обнаружения новых фаз материи“.

Отправной точкой для этого конкретного временного кристалла стала удивительно непреднамеренная работа физика-теоретика из Стэнфорда Ведика Хемани по неравновесной физике.

Мы хорошо знакомы с последствиями такого рода физики в повседневной жизни. Оставьте горячую чашку кофе на скамейке на полчаса, и вы увидите, как быстро рассеивается ее тепловая энергия, поскольку она находится вне равновесия с окружающей средой.

Хемани и ее коллег больше интересовал дисбаланс энергии на гораздо менее интуитивном уровне квантовой физики.

Только когда рецензент исследования Кемани обратил ее внимание на сходство между ее собственной работой и кристаллами времени, она обратила свое внимание на эту захватывающую новую область физики.

“Кристаллы времени являются ярким примером нового типа неравновесной квантовой фазы материи“, – говорит Хемани.

“Хотя большая часть нашего понимания физики конденсированных сред основана на равновесных системах, эти новые квантовые устройства дают нам увлекательное окно в новые неравновесные режимы в физике многих тел“.

Моделирование временного кристалла на квантовой технологии Google позволило команде искать признаки бесконечного повторения в пределах всего нескольких сотен ударов лазерного импульса. Они также могли запускать моделирование в обратном направлении и масштабировать его размер.

“По сути, она подсказала нам, как исправить свои собственные ошибки, так что отпечаток идеального поведения кристалла времени можно было получить из наблюдений за конечным временем“, – говорит Родерих Месснер, физик-теоретик из Института физики сложных систем имени Макса Планка в Германии.

“Наличие способов моделирования реальных кристаллов времени с уверенностью в том, что они представляют собой действительно уникальную фазу материи, может оказаться бесценным для исследования безумных сложностей неравновесной квантовой физики“.

Кристаллы времени обещают стать окном в новые способы функционирования широкого спектра сложных систем, обеспечивая понимание не только квантовых пространств, но и таких сложных систем, как наш собственный мозг.

В один прекрасный день многие ученые из самых разных областей будут стремиться приобрести временной кристалл. Теперь у них меньше шансов быть обманутыми.

Нюансы открытия "на пальцах":

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике и выдающийся физик Франк Вилчек предположил существование нового типа кристалла и  выдвинул гипотезу «кристаллов времени». 

Так как большинство кристаллов имеют повторяющуюся в двух или трех измерениях структуру, Вильчек представил иную концепцию кристалла, структура которого воспроизводится четырежды: три из них соответствуют измерениям пространства, а четвертое — измерению времени.

Если вы думаете о кристаллах в пространстве, то вполне естественно также подумать о классификации поведения кристаллов во времени, – говорил он тогда.

Если посмотреть на атомы кристаллической решётки таким образом, то в стабильном внешне кристалле происходят некие внутренние энергетические колебания. Расчёты Вилчека показали, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя разные интервалы времени, тем самым нарушая временную симметрию. Получается, что без потребления или производства энергии временные кристаллы будут находиться в «основном состоянии», но циклически изменять структуру, что с точки зрения физики определяется как вечное движение.

В сентябре 2016 года Крис Монро (Chris Monroe) в лаборатории Мэрилендского университета в Колледж-Парке создал первый временной кристалл. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца энергетическое состояние системы понизится до минимального уровня, то есть «основного состояния». Крис Монро для создания «основного состояния» кольца взял ионы иттербия. Он использовал квантовые взаимодействия, чтобы заставить ионы иттербия войти в основное состояние, а потом и зафиксировать нарушение временной симметрии. Научная работа выложена на arXiv.org.

Так как новой структуре требовалось название, Вильчек обозначил ее «кристаллом времени». И эта история, вероятно, так бы и осталась гипотетической, если бы в 2018 году ученые не поняли, как эти необычные структуры можно синтезировать в лабораторных условиях. Сегодня физики считают, что кристаллы времени могут формироваться в естественной среде, а сам процесс намного проще, чем предполагали большинство исследователей.

Источник: https://hi-news.ru/science/chto-takoe-kristally-vremeni-i-pochemu-uchenye-imi-oderzhimy.html

На самом деле многие называют временные кристаллы удачей для человечества, так как их можно использовать в практических целях, например, при создании сверхточных атомных часов, гироскопов и других устройств. А еще они представляют мощнейший потенциал для развития квантовых компьютеров.

Таким образом, кристалл времени – это новая категория фаз материи, расширяющая определение того, что такое «фаза».

Все другие известные фазы, такие как вода или лед, находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы перешли в состояние с наименьшей энергией, допускаемой температурой окружающей среды, и их свойства не меняются со временем.

А вот кристалл времени — это первая фаза «выхода из равновесия»: он обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбужденном и развивающемся состоянии.

Кристаллы времени периодически повторяют свою структуру, потому что периодически получают энергию извне. 

По словам старшего преподавателя Яо, это можно сравнить с движением кубика желе, которому дали щелчок пальцем. Получив внешнее энергетическое воздействие, кристаллы времени демонстрируют крайне интересное поведение, что и делает их новым фазовым состоянием вещества. Это широкий класс материалов, которым от природы не свойственно равновесие.

В кристалле времени электроны формируют во времени кристалл, который не соответствует закреплённой в пространстве симметрии атомов. Именно это определяет его уникальные свойства.

Структура кристалла времени периодически повторяется не только в пространстве, но и во времени. Например, кольцо охлаждённых атомов в слабом магнитном поле. Источник: https://habr.com/ru/post/401051/

Чип, использованный при создании кристалла времени. (Google Quantum AI) . В действительности такой кристалл может выглядеть как какое-то колебание, которое не синхронизируется с остальными ритмами системы. Например, лазер, производящий устойчивый удар по кристаллу времени, может заставить вращение его частиц переворачиваться только при каждом втором касании. Источник: https://rwspace.ru/news/fiziki-podtverzhdayut-sushhestvovanie-kristallov-vremeni-v-epicheskom-kvantovom-modelirovanii.html 

Немного квантовой механики

Рассмотрим алмаз – кристаллическую фазу скопления атомов углерода. Скопление управляется одними и теми же уравнениями повсюду в пространстве, но оно принимает форму, которая имеет периодические пространственные изменения, с атомами, расположенными в точках решетки. Физики говорят, что таким образом происходит «спонтанное нарушение симметрии переноса пространства» – только состояния равновесия с минимальной энергией спонтанно нарушают пространственную симметрию таким образом.

По сути, Вильчек представил себе многокомпонентный объект в равновесии, очень похожий на алмаз. Но этот объект нарушает симметрию перемещения во времени: он подвергается периодическому движению, возвращаясь к своей первоначальной конфигурации через регулярные промежутки времени.

При этом изначально предложенный Вильчеком временной кристалл сильно отличался, скажем, от настенных часов — объекта, который также подвергается периодическому движению. Стрелки часов сжигают энергию и останавливаются, когда садится батарея. 

Кристалл времени Вильчека работает бесконечно, поскольку система находится в своем сверхстабильном равновесном состоянии.

Кристаллы времени и квантовые компьютеры могут изменить мир

Кристаллы времени и квантовые компьютеры

Важно понимать, что кристаллы времени, как и другие квантовые явления, нарушают некоторые известные физические законы – в частности, первый закон движения Исаака Ньютона. И если ученым действительно удалось поместить кристаллы Вильчека в квантовый компьютер – как указано в препринте научной работы – их открытие может изменить мир всего за одну ночь.

Да-да, кристаллы времени способны в корне изменить правила игры для квантовых компьютеров. В конце концов, они работают на самом важном молекулярном и даже частичном уровне, извлекая выгоду из таких идей, как прохождение электронов вокруг твердых материалов (буквально, что такое электричество!), и, по-хорошему, представляют собой огромную проблему для ученых.

На более практическом уровне существуют способы, с помощью которых квантовые компьютеры предлагают особый доступ к идеям, с которыми традиционные электронные компьютеры просто не могут справиться. Именно здесь вступают в игру кристаллы времени – если последующая экспертная оценка покажет, что выводы авторов нового исследования является достоверными.

Электронные компьютеры, подобные тому, на котором вы, возможно, читаете эту статью, используют логические элементы, которые включаются и выключаются, поэтому все в вашем компьютере зависит только от двух состояний: включено и выключено, светло и темно, 1 и 0, словом, вся двоичная система. Введение кубитов (квантовых битов, которые часто представляют собой один атом элемента с тщательно контролируемым электроном) еще сильнее усложняет ситуацию, как за счет добавления большего количества возможных состояний (а не просто вкл-выкл), так и за счет добавления всей основы квантовой неопределенности.

Теперь представьте, что число от 1 до 100 на самом деле является результатом чего-то вроде плана создания вечного двигателя. На самом деле существуют тысячи, миллионы или даже больше возможностей. Вместо того чтобы пытаться «заставить» двоичный компьютер выполнять работу неудобным способом, квантовый компьютер мог бы помочь ученым более естественно представить, что происходит.

Именно здесь кристаллы времени открывают море возможностей, а не только квантовые вычисления кубитов. Кристаллы времени стабильны, но пульсируют с интересными интервалами, что означает, что они могут помочь ученым изучать такие вещи, как повторяющиеся закономерности или случайные числа — с аналогичными последствиями в естественных науках и за их пределами.

Как ученые создали кристаллы времени

В ходе нового исследования группа из более чем 100 ученых со всего мира работала вместе с командой Google Quantum AI (совместной инициативой Google, НАСА и некоммерческой ассоциации космических исследований университетов, цель которой – ускорить исследования в области квантовых вычислений и компьютерных наук). В статье ученые описывают создание специальной микроскопической установки, в которой временной кристалл окружен сверхпроводящими кубитами.

Квантовый компьютер находится внутри криостата, который представляет собой камеру переохлаждения с регулируемой температурой, которая поддерживает все материалы при правильной, чрезвычайно низкой температуре для продвинутых состояний, таких как сверхпроводящие или кристаллы Вильчека.

Как пишет Quanta Mafgazine, если выводы исследователей подтвердятся, то это будет первая полностью успешная демонстрация кристалла времени. В целом же, неудивительно, что Google возглавляет движение в направлении мощных квантовых вычислений, ну а мы с вами будем ждать экспертной оценки и дальнейших исследований. Кто знает, может быть кристаллы времени и квантовые компьютеры и правда многое изменят.