Когда дело доходит до нашей Вселенной, всегда существовали определенные «Правила поведения», и одним из них является Второй закон термодинамики .
Этот закон гласит, что когда энергия переходит из одной формы в другую или когда материя движется свободно, энтропия (беспорядок) в замкнутой системе всегда увеличивается. Энтропия — это мера распространения материи и энергии по всей Вселенной, к которой она имеет доступ.
Лучший способ понять энтропию — это рассмотреть мою кухню: каждый день в раковине грязная посуда, а столешницы покрыты различными веществами. Каждый день я мою посуду и очищаю столешницы, тем самым уменьшая их энтропию, но уже на следующий день раковина снова полна грязной посуды.
Такова судьба всего в нашей Вселенной до 29 июля 2021 года. Именно тогда исследователи разместили на веб-сайте arXiv препринт под названием «Наблюдение порядка кристаллов времени и собственных состояний на квантовом процессоре», в котором было объявлено об открытии «кристаллов времени».. Препринт — это научная статья, которая еще не прошла рецензирование или официально опубликована. Выводы препринта могут быть оспорены или даже полностью отменены.
Если вы думаете: «В чем дело, я слышал о кристаллах времени раньше», то это может быть связано с тем, что они были основным продуктом в продолжительном научно-фантастическом сериале BBC « Доктор Кто» . Действительно, на фан-сайте DWLegacy Wiki говорится: «Самый надежный способ получить кристаллы времени — это купить их … Они продаются пачками по 1, 6, 13, 27 и 70 …» Однако в реальном мире , кристаллы времени найти немного сложнее.
Что такое «кристалл времени»?
Кристалл времени — это объект, состоящий из новой фазы материи, который движется в регулярном, повторяющемся цикле непрерывно и без использования какой-либо энергии. Один из первооткрывателей временных кристаллов Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене, Германия, недавно сказал журналу Quanta Magazine , что с временными кристаллами «вы уклоняетесь от второго закона термодинамики». Это большое дело!
Кристаллы времени — первые из когда-либо созданных объектов, которые спонтанно нарушают «симметрию перемещения времени». Перевод — это просто перемещение из одного места в другое в пространстве или во времени. До сих пор стабильный объект, движущийся во времени, должен оставаться таким же, а кристаллы времени — нет. Они одновременно стабильны и постоянно меняются .
Кристаллы времени на самом деле представляют собой новую фазу материи . До сих пор четыре фазы вещества, которые все зависят от температуры, это: твердое тело, жидкость, газ и плазма.
В твердой фазе молекулы объекта тесно связаны друг с другом, и объем твердого тела определяется его формой.
В жидкой фазе молекулярные силы слабее, чем в твердой фазе, но жидкость все еще имеет фиксированный объем и принимает форму своего сосуда.
В газовой фазе молекулярные силы очень слабы, и газ принимает как форму, так и объем своего сосуда.
Плазменная фаза возникает только при очень высоких температурах и давлениях, когда электроны срываются со своих орбит вокруг ядра атома и оставляют положительно заряженный ион. В результате получается смесь нейтрально заряженных атомов, отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов. Эта смесь или плазма реагируют на электромагнитные силы и генерируют их.
В четырех фазах атомы заблокированы в состоянии с наименьшей энергией, которое допускается окружающей температурой, и они не меняются с течением времени. Кристалл времени — это первая «неравновесная» фаза материи, которая, будучи стабильной, также находится в эволюционирующем состоянии.
Доктор Кто или доктор Вильчек?
Кристаллы времени были впервые представлены в 2012 году лауреатом Нобелевской премии профессором Массачусетского технологического института Фрэнком Вильчеком, который тогда преподавал класс обычных кристаллов. В обычных кристаллах отдельные атомы предпочитают находиться в определенной точке пространства, например, соль в солонке и снежинки.
Кристаллы соли Источник: mariusFM77iStockPhoto
Вильчек начал размышлять о том, как кристаллы могут вести себя с течением времени, когда некоторые из них совершают периодическое движение, а затем возвращаются к своей исходной конфигурации. Самым интересным понятием в идее временного кристалла Вильчека было то, что; несмотря на движение, временные кристаллы не потребуют энергии, и их движение будет продолжаться бесконечно, как вечный двигатель.
К 2014 году концепция временного кристалла Вильчека была опровергнута Харуки Ватанабе и Масаки Осикавой в статье, озаглавленной «Отсутствие квантовых временных кристаллов». Авторы заявили: «По аналогии с кристаллическими твердыми телами вокруг нас, Вильчек недавно предложил идею« временных кристаллов »как фаз, которые спонтанно разбивают непрерывное преобразование времени на дискретную подгруппу … здесь мы сначала даем определение временных кристаллов, основанное на корреляционные функции параметра порядка, зависящие от времени. Затем мы доказываем запретную теорему, которая исключает возможность определения временных кристаллов как таковых в основном состоянии или в каноническом ансамбле общего гамильтониана, который состоит из не- слишком дальние взаимодействия «. Все, что вам нужно вынести из этого утверждения, — это запретная часть.
Затем, в 2015 году, аспирант-физик из Принстона по имени Ведика Кхемани вместе с Месснером Шиваджи Сонди, который был доктором философии Кхемани. Советник и Ахиллеас Лазаридес из Университета Лафборо в Великобритании опубликовали статью, в которой описали возможные методы создания временных кристаллов, и это положило начало пятилетней гонке между группой Хемани и другой группой физиков за создание первого временного кристалла. Однако ни одна из их попыток не увенчалась успехом, и именно тогда Хемани и компания пришли к идее обратиться в Google.
Введите Sycamore
В 2019 году квантовый компьютер Sycamore от Google выполнил задачу за 200 секунд, на решение которой обычному компьютеру потребовалось бы 10000 лет. После этого ученые смогли сделать обычный компьютер умнее, чтобы на решение той же проблемы не уходило так много времени. Хорошо, что Sycamore решил эту проблему, потому что до этого момента она не была слишком успешной. Sycamore по-прежнему был слишком подвержен ошибкам, чтобы решать криптографические или алгоритмические проблемы, поэтому, когда Хемани и ее команда обратились к ученому Google Косте Кечеджи , он был счастлив использовать свою машину в качестве научного инструмента для изучения новой физики или химии.
Осенью 2014 года Хемани присоединился к Сонди, который был в творческом отпуске в Институте Макса Планка в Дрездене, Германия. Там Хемани и Сонди начали изучать работы физика, лауреата Нобелевской премии Филипа Андерсона , в частности, в области квантовой механики, называемой локализацией Андерсона . Это включает в себя электрон, который обычно можно представить как волну, которая распространяется со временем. Чем выше амплитуда волны в определенных местах, тем больше вероятность найти электрон в этом месте.
Андерсон обнаружил, что случайный дефект в кристаллической решетке может вызвать разрушение волны электрона, позволяя ей вмешиваться в саму себя. Это означало, что волна подавлялась везде, кроме очень небольшого участка. Затем группа ученых из университетов Принстона и Колумбии обнаружили, что несколько частиц также могут застрять в одном и том же фиксированном состоянии.
Также в Институте Макса Планка, наряду с Хемани и Сонди, работали Месснер и Лазаридес, которые «щекотали» кристаллы лазером. Четверо быстро поняли, что, если они определенным образом пощекотали локализованную цепочку частиц, спины частиц будут непрерывно переключаться между двумя состояниями без поглощения энергии лазера.
Состояния кристалла времени Источник: Марсия Вендорф
Группа опубликовала свои результаты, назвав новую сущность «фазой спинового стекла пи», но потребовался рецензент статьи, чтобы понять, что на самом деле были обнаружены кристаллы времени. В марте 2016 года другая группа физиков, преследующих кристаллы времени, в которую входили Четан Наяк, ныне работающий в Microsoft Station Q и Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, Доминик Эльзе и Бела Бауэр, опубликовали статью, описывающую временные кристаллы Флоке .
В прошлом месяце эта группа сообщила в журнале Science, что они создали «дотепловые» кристаллы времени, которые не будут работать вечно, а вместо этого придут в равновесие. Именно тогда Месснер и компания поняли, что у Sycamore есть все необходимое для создания кристалла времени, который будет постоянно менять состояние и не требует каких-либо затрат энергии.
Квантовый компьютер Sycamore от Google Источник: Google
Как и все квантовые компьютеры, Sycamore состоит из «кубитов», которые представляют собой квантовые частицы, которые могут находиться в двух возможных состояниях одновременно. Кубиты Sycamore представляют собой сверхпроводящие алюминиевые полоски, которые инженеры Google запрограммировали для имитации вращения частицы — направленной вверх или вниз.
Лазерная волна «щекочет» кристалл времени Источник: Марсия Вендорф
Путем настройки силы взаимодействий между кубитами была введена деструктивная интерференция, аналогичная той, которая вызывается случайными дефектами внутри кристалла, и 20 кубитов зафиксированы в заданной ориентации. Затем исследователи пощекотали систему микроволнами, которые заставили систему переключаться между двумя «локализованными состояниями многих тел»; спины не поглощали и не рассеивали энергию микроволн, что оставляло беспорядок или энтропию системы неизменными.
Примерно так же, как это исчисление было одновременно и независимо открыто Исааком Ньютоном и Готфридом Вильгельмом Лейбницем 5 июля 2021 года — имейте в виду, между ними происходило жесткое соперничество — третья группа исследователей из Делфтского технологического университета в Нидерланды сообщили, что они тоже построили кристалл времени, на этот раз в виде алмаза.
Использование кристаллов времени
Хотя кристалл времени является первой фазой материи, находящейся в неравновесном состоянии, возможно гораздо больше. Несмотря на то, что Альберт Эйнштейн добился прогресса в объединении пространства и времени в то, что мы теперь называем «пространством-временем», факт остается фактом: время по-прежнему принципиально иное, поскольку оно течет только в одном направлении.
Что касается потенциального использования кристаллов времени, кубиты в квантовых компьютерах демонстрируют суперпозицию, то есть они могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Это означает, что данные, вводимые в квантовый компьютер, хранящиеся в нем или выводимые из него, будут меняться в зависимости от того, когда они наблюдаются. Создавая временные кристаллы в квантовых битах, он сделает эти данные постоянно доступными для просмотра. Другими словами, это позволит пользователям просматривать точные данные, которые им нужны, с большой вероятностью, что они верны.
Лично я считаю, что лучше всего использовать кристаллы времени на моей кухне, где в одном состоянии будет грязная посуда и грязные полки, а в другом — все будет чистыми. И, что лучше всего, мне не пришлось бы ничего делать.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК