Кристаллы времени что это
Физики создали первый в мире «кристалл времени»
Крис Монро работал с ионной ловушкой схожей конструкции (источник: Hartmut Häffner)
В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вилчек предложил необычную идею. Он предположил (и попытался доказать) возможность существования «кристаллов времени». Такие структуры, по словам физика, получают энергию для своего движения из разлома в симметрии времени. Разлом, по словам Вилчека, является некой особой формой вечного движения.
Кристаллы сами по себе очень необычные структуры. Например, кристаллам (тем из них, кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической — симметрией), присуще свойство анизотропии. Анизотропия кристаллов — это разнородность их физических свойств (упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и других) по различным направлениям.
Современных физиков интересует не только анизотропия кристаллов, но и их симметрия. Что касается симметрии, то она проявляется не только в их структуре и свойствах в реальном трёхмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла, анализе процессов дифракции рентгеновских лучей, дифракции нейтронов и дифракции электронов в кристаллах с использованием обратного пространства и т. п. Что касается «кристаллов времени», то здесь ученые предположили, что кристаллы симметричны во времени.
Вилчек говорил об этом возможном явлении еще в 2010 году: «Я постоянно думал о классификации кристаллов, а затем я подумал, что ведь можно представить и пространство-времени с этой точки зрения. То есть, если мы думаем о кристаллах в пространстве, логично будет представить кристаллические структуры во времени». В кристаллах атомы занимают стабильную позицию в решетке. А поскольку стабильные объекты остаются неизменными во времени, то существует возможность того, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени. В исходное положение они возвращаются через дискретный интервал, нарушая временную симметрию. Если кристалл не потребляет и не производит энергию, то такие временные кристаллы являются стабильными, находясь в «основном состоянии». При этом в структуре кристалла происходят циклические изменения, что, с точки зрения физики можно считать вечным движением.
У многих физиков возникали сомнения в справедливости гипотезы возможности существования временных кристаллов. Но те ученые, кто принял ее, стали искать способы проверить справедливость предположения Вилчека. И нашли.
Крис Монро [Chris Monroe] из Мэрилендского университета в Колледж-Парке впервые смог создать временной кристалл в своей лаборатории. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца, как утверждал Монро (а до него и другие ученые), энергетическое состояние всей системы понизится до минимального уровня. Другими словами, в таких условиях система переходит в фазу «основного состояния». Если временная симметрия нарушена, то кольцо должно меняться во времени. Другими словами, вращаться. Конечно, извлечь энергию этого движения нельзя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии.
Все это — теория. На практике реализовать эту задумку сложнее. О намерении создать кольцо из ионов и проверить справедливость гипотезы временных кристаллов несколько лет назад сообщали ученые из Беркли. Они планировали вводить сотни ионов кальция в камеру небольшого размера. Эту камеру нужно окружить электродами и включить ток. Образующееся электрическое поле позволяет загнать ионы в камеру толщиной примерно в 100 микронов. После чего необходимо «откалибровать» частицы для выравнивания поля. Ионы, отталкиваясь друг от друга, сформировали бы кристаллическое кольцо, распределившись равномерно по внешнему краю камеры.
Предполагается, что ионы в такой ловушке будут находиться в возбужденном состоянии, но при помощи лазера их кинетическую энергию будут постепенно урезать. По плану, температуру системы необходимо довести до 1 миллиардной градуса выше нуля. После того, как система достигает основного состояния, ученые планировали включить статическое магнитное поле. Это поле, если гипотеза временных кристаллов верна, должно было заставить ионы вращаться. После возвращения ионов к исходной точке в пределах определенного временного периода ученые зафиксировали бы нарушение временной симметрии.
Монро пошел схожим путем, только для создания кольца он использовал не ионы калия, а ионы иттербия. Сложностью в реализации идеи является то, что предсказать существование частицы в определенное время в определенном месте не представляется возможным. Правда, благодаря андерсоновской локализации появляется исключение в этом правиле, которое можно использовать. Андерсоновская локализация — явление, возникающее при распространении волн в среде с пространственными неоднородностями и состоящее в том, что вследствие многократного рассеяния на неоднородностях и интерференции рассеянных волн становится невозможным распространение бегущих волн; колебания приобретают характер стоячей волны, сконцентрированной (локализованной) в ограниченной области пространства.
Относительно недавно физики изучили группы квантовых частиц, взаимодействующих друг с другом таким образом, что это взаимодействие вынуждает их локализоваться. Монро смог использовать результаты этого исследования для того, чтобы заставить ионы иттербия занять определенные места в определенное время. В результате был создан временной кристалл, и команда Монро, таким образом, доказала возможность нарушения временной симметрии. При изучении свойств временного кристалла оказалось, что значительное изменение частоты возбуждения ионов заставляет кристалл «плавиться». По мнению ученых, создание временного кристалла открывает широкие возможности для квантовых вычислений. Например, на основе временных кристаллов можно создать надежную квантовую память.
Правда, работа Монро и коллег еще требует проверки. Другие команды физиков планируют проверить природу эффекта временных кристаллов, повторив эксперимент. Если это удастся, то гипотеза Франка Вилчека станет теорией, и квантовая физика получит стимул для дальнейшего развития.
Ученые создали кристалл времени? Эта штука отправит нас в прошлое? К сожалению, нет
Кристалл времени постоянно переключается между двумя состояниями, не потребляя при этом энергии и представляя собой новое состояние материи. Звучит как вечный двигатель. Вот только вечный двигатель запрещен, а у кристалла времени, судя по эксперименту исследователей из Google и физиков из Стэнфорда и Принстона, есть шанс на его реальное воплощение в объекте, части которого двигаются в регулярном повторяющемся цикле, не сжигая энергию и словно игнорируя законы термодинамики.
Что произошло?
В начале августа группа ученых из Google в сотрудничестве с физиками из Принстона, Стэнфорда и других университетов опубликовала препринт научной статьи (препринт — это готовая статья, которая еще не прошла рецензирование независимыми учеными для публикации в авторитетном научном журнале).
Тем не менее этот препринт натворил много шума. Исследователи утверждают, что создали кристалл времени внутри квантового компьютера. Для этого использовался экспериментальный образец Sycamore — квантовый процессор, который уже давно разрабатывают в Google.
«Последствия поразительны: вы обходите второй закон термодинамики», — заявил Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем имени Макса Планка, описывая результат работы, соавтором которой он стал.
Что такое кристалл времени?
Кристалл времени — это не совсем кристалл в потребительском понимании, да и время в его названии не свидетельствует о путешествиях в прошлое или будущее. Речь идет о гипотетической системе, которую в 2012 году предложил физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек. Есть пространственные кристаллы. В них в трех измерениях группы атомов располагаются строгими повторяющимися узорами. Тот же алмаз — это кристаллическая фаза скопления атомов углерода в точках решетки.
Почему бы не существовать и временны́м кристаллам, в которых структура повторялась бы в четвертом измерении — времени.
Пространственные кристаллы находятся в состоянии покоя. Такой кристалл сохраняет это состояние, пока к нему не будет приложена какая-то внешняя сила или энергия. Лед — это вода, которая при определенной температуре приобретает кристаллическое строение. Нагреем лед, его частицы начнут колебаться, и он растает.
Кристаллы времени периодически меняют свое строение в повторяющемся цикле, при этом им не нужна никакая энергия — в отличие от того же льда или, например, от настенных часов. Их стрелка движется с определенной периодичностью, но стоит кончиться заряду батарейки — часы остановятся. Или даже лучше представить пружину, к которой подвесили груз. Достаточно натянуть ее и отпустить, чтобы пружина сжималась и растягивалась с определенной периодичностью. Однако эти колебания затрачивают энергию, и со временем пружина с грузом остановится.
Кристаллы времени нарушают правило, согласно которому стабильный объект остается неизменным на протяжении всего времени, находясь в тепловом равновесии — в той стадии самой низкой энергии (например, в фазе льда), которая допустима температурой окружающей среды. Кристаллы времени оказываются одновременно стабильными и постоянно изменяются с определенным интервалом, затем возвращаясь в изначальное состояние, — и так по кругу. Это словно кубик льда в воде, который в первые пять минут таял, а затем снова формировался и приобретал изначальную форму.
Звучит неправдоподобно. Идею Нобелевского лауреата Вильчека раскритиковали сразу же, как только он ее высказал. Ну не может равновесная система в своем основном состоянии колебаться, а ее строго периодические колебания в возбужденном состоянии — нонсенс.
Предпосылки существования кристаллов времени
В 2005 году три физика из университетов Принстона и Колумбии доказали, что одномерная цепочка квантовых частиц может испытывать локализацию многих тел. То есть они способны застрять в фиксированном состоянии.
Физики Родерих Месснер и Ахиллеас Лазаридис изучали периодически управляемые системы, такие как кристалл, который стимулируется лазером определенной частоты. Интенсивность лазера и сила его воздействия на систему периодически менялись.
К ним примкнули Шиваджи Сонди и Ведика Хемани. Вместе ученые решили выяснить, что происходит, если таким же образом воздействовать на локализованную систему многих тел. Расчеты и компьютерное моделирование указывали, что определенное воздействие лазером на такую систему заставит «спины» частиц переворачиваться туда-обратно между двумя локализованными состояниями многих тел. Цикл будет бесконечным и не будет потреблять какой-либо чистой энергии от лазера.
Это случилось в 2015 году. С тех пор многие исследователи по всему миру только и занимались тем, что пытались создать подобный кристалл времени. Получалось у них не очень, соблюсти все критерии было непросто.
Что сделала команда Google?
Недавно другая группа ученых заявила, что смогла превратить ионы, которые были захвачены электромагнитным полем, в «дотепловой» кристалл времени. Ионы демонстрировали циклические вариации, которые практически неотличимы от требуемого результата. Но этот «дотепловой» кристалл оказался невечным. Если эксперимент длился долго, то система со временем уравновешивалась и циклическое переключение разрушалось.
Команда Google тем временем искала, чем бы занять свой прототип квантового компьютера. Он слишком примитивен и подвержен ошибкам, чтобы запускать алгоритмы шифрования и поиска, разработанные для полноценных квантовых компьютеров. А потому в Google согласились помочь Хемани и ее коллегам.
Кубиты, которые являются основой квантовых вычислений, в квантовом компьютере Google состоят из сверхпроводящих алюминиевых полос с двумя возможными энергетическими состояниями. Все это находится внутри криостата, где поддерживается чрезвычайно низкая температура.
Исследователи воспользовались чипом на 20 кубитов, который и выступил в роли кристалла времени. Кубитам придали произвольные начальные конфигурации, рандомизировали силу взаимодействия между ними, создав интерференцию и добившись локализации многих тел. Звучит сложно. По сути, кубиты зафиксировали в заданном шаблоне ориентации, в котором они не могли выровняться.
На всю эту систему воздействовали микроволнами, которые выступили своеобразным физическим катализатором. При этом система кубитов начала менять шаблон ориентации на противоположный и обратно и застряла во временном цикле. Исследователи заверяют, что кубиты не поглощали и не рассеивали чистую энергию микроволнового лазера.
Какое у этого практическое применение?
Пока никакого. Неясно, может ли кристалл времени иметь практическое применение. Хотя кристалл и демонстрирует «вечное движение», это движение как не потребляет никакой энергии, так и не производит ее.
Теоретическая, фундаментальная физика — это не прикладная наука. Вряд ли в ближайшее время этому открытию найдется практическое применение. Стабильность кристалла времени кажется исследователям впечатляющей.
«Что-то столь стабильное, как это, необычно. А необычные вещи становятся полезными», — выражает надежду профессор Родерих Месснер.
Четан Наяк полагает, что кристаллы времени проливают свет на саму природу времени. Как бы ни пыталась физика относиться ко времени как к одному из измерений, оно всегда было в стороне от остальных. Эйнштейн сплел трехмерное пространство со временем в четырехмерную ткань. «Но даже в его теории однонаправленное время — уникально. Кристаллы времени — это первый случай из известных мне, когда время оказывается одним из членов четверки».
Впрочем, с этим согласны не все, и дискуссия в научном сообществе продолжится как до публикации препринта в рецензируемом журнале, так и после.
Возможно, создание кристаллов времени позволит ускорить прорыв в создании квантовых компьютеров от точки «никогда» до «возможно в течение нескольких десятилетий». Некоторые ученые высказывают надежду, что на их основе можно будет производить запоминающие устройства для квантовых компьютеров.
Нам же остается сетовать, что мы родились слишком поздно для исследования Земли, слишком рано для познания космоса, но как раз вовремя для мемов.
Что такое кристаллы времени и почему ученые ими одержимы?
О чем вы думаете когда слышите о кристаллах времени? Мне сразу представляется что-то наподобие тессеракта из мультивселенной Марвел или очередное безумное изобретение гениального Рика из «Рик и Морти». Только представьте – таинственные кристаллы времени, способные перенести их обладателя как в прошлое, так и в будущее. Но, я, конечно, пересмотрела научной фантастики и в реальности кристаллы времени или кристаллы Вильчека не способны перемещать кого-либо или что-либо во времени. И все же, физики ими буквально одержимы. Причина этой одержимости на самом деле проста: по сути, кристалл времени – это особая фаза материи, которая постоянно меняется, но, похоже, не использует энергии. Только представьте, 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.
Кристалл времени – новая фаза материи, которую физики пытались реализовать в течение многих лет
Что такое «кристаллы времени»?
В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек предположил существование нового типа кристалла. 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.
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.
Изображение и перевод – источник
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 Вильчека предлагают совершенно новый взгляд на эти объекты
Интересно и то, что 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. Временной кристалл одновременно стабилен но при этом постоянно меняется не поглощая никакой энергии.
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Так вы точно не пропустите ничего интересного!
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.
Понять что такое кристаллы времени сложно. Но физики любят решать сложные задачи
Итак, давайте представим ряд частиц, каждая из которых имеет магнитную ориентацию (спин), которая указывает вверх, вниз или с некоторой вероятностью в обоих направлениях. Теперь представим, что первые четыре вращения изначально направлены вверх, вниз, вниз и вверх. Спины будут квантово механически колебаться и быстро выравниваться, если смогут.
Но случайное взаимодействие между ними может привести к тому, что ряд частиц застрянет в своей определенной конфигурации, не в состоянии перестроиться или установить тепловое равновесие. Они будут указывать вверх, вниз, вниз и вверх бесконечно.
Как недавно обнаружили исследователи, локализованные системы со многими телами могут демонстрировать особый порядок, который станет вторым ключевым компонентом кристалла времени: если перевернуть все вращения в системе (в нашем примере вниз, вверх, вверх и вниз), мы получим другое стабильное локализованное состояние со многими телами. Более того, недавно исследователям удалось поместить кристаллы времени в квантовый компьютер.
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.
Кристаллы времени и квантовые компьютеры могут изменить мир
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.
Команда Google и еще 100 ученых из разных стран трудятся над созданием квантового компьютера
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.
Возможно в самом ближайшем будущем будут созданы невероятно быстрые и мощные квантовые компьютеры
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.