Що таке кристали часу і чому вчені ними одержимі?

0
26

Про що ви думаєте коли чуєте про кристали часу? мені відразу представляється щось на зразок тессеракта з мультивсесвіту марвел або чергове божевільне винахід геніального ріка з «рік і морті». Тільки уявіть-таємничі кристали часу, здатні перенести їх володаря як в минуле, так і в майбутнє. Але, я, звичайно, переглянула наукової фантастики і в реальності кристали часу або кристали вільчека не здатні переміщати кого-небудь або що-небудь в часі. І все ж, фізики ними буквально одержимі. Причина цієї одержимості насправді проста: по суті, кристал часу-це особлива фаза матерії, яка постійно змінюється, але, схоже, не використовує енергії. Тільки уявіть, об’єкт, частини якого рухаються в регулярному, повторюваному циклі, підтримує цю постійну зміну без спалювання будь-якої енергії. Взагалі. Кристали часу також є першими об’єктами, які спонтанно порушують “симетрію переміщення в часі” – звичайне правило, згідно з яким стабільний об’єкт буде залишатися незмінним протягом усього часу. Кристали часу одночасно стабільні і постійно змінюються через певні проміжки часу.

Кристал часу-нова фаза матерії, яку фізики намагалися реалізувати протягом багатьох років

Що таке “кристали часу”?

У 2012 році лауреат нобелівської премії з фізики френк вільчек припустив існування нового типу кристала. Так як більшість кристалів мають повторювану в двох або трьох вимірах структуру, вільчек представив іншу концепцію кристала, структура якого відтворюється чотири рази: три з них відповідають вимірам простору, а четверте — виміру часу.

Якщо ви думаєте про кристали в просторі, то цілком природно також подумати про класифікацію поведінки кристалів у часі, – говорив він тоді.

Оскільки новій структурі була потрібна назва, вільчек позначив її «кристалом часу». І ця історія, ймовірно, так би і залишилася гіпотетичною, якби в 2018 році вчені не зрозуміли, як ці незвичайні структури можна синтезувати в лабораторних умовах. Сьогодні фізики вважають, що кристали часу можуть формуватися в природному середовищі, а сам процес набагато простіше, ніж припускали більшість дослідників.

Зображення і переклад-джерело

Насправді багато хто називає тимчасові кристали удачею для людства, так як їх можна використовувати в практичних цілях, наприклад, при створенні надточних атомних годин, гіроскопів та інших пристроїв. А ще вони представляють найпотужніший потенціал для розвитку квантових комп’ютерів.

Таким чином, кристал часу – це нова категорія фаз матерії, що розширює визначення того, що таке «фаза». Всі інші відомі фази, такі як вода або лід, знаходяться в тепловій рівновазі: складові їх атоми перейшли в стан з найменшою енергією, допустимої температурою навколишнього середовища, і їх властивості не змінюються з часом.

А ось кристал часу — це перша фаза «виходу з рівноваги»: він володіє порядком і досконалою стабільністю, незважаючи на те, що знаходиться в збудженому і розвивається стані.

Кристали вільчека пропонують абсолютно новий погляд на ці об’єкти

Цікаво і те, що кристали часу також є першими об’єктами, які спонтанно порушують «симетрію переміщення в часі» – звичайне правило, згідно з яким стабільний об’єкт буде залишатися незмінним протягом усього часу. Часовий кристал одночасно стабільний але при цьому постійно змінюється не поглинаючи ніякої енергії.

Наш новинний канал в telegram. Так ви точно не пропустите нічого цікавого!

Трохи квантової механіки

Розглянемо алмаз – кристалічну фазу скупчення атомів вуглецю. Скупчення управляється одними і тими ж рівняннями всюди в просторі, але воно приймає форму, яка має періодичні просторові зміни, з атомами, розташованими в точках решітки. Фізики кажуть, що таким чином відбувається «спонтанне порушення симетрії перенесення простору» – тільки стану рівноваги з мінімальною енергією спонтанно порушують просторову симетрію таким чином.

По суті, вільчек уявив собі багатокомпонентний об’єкт в рівновазі, дуже схожий на алмаз. Але цей об’єкт порушує симетрію переміщення в часі: він піддається періодичному руху, повертаючись до своєї первісної конфігурації через регулярні проміжки часу.

При цьому спочатку запропонований вільчеком часовий кристал сильно відрізнявся, скажімо, від настінного годинника — об’єкта, який також піддається періодичному руху. Стрілки годинника спалюють енергію і зупиняються , коли сідає батарея. Кристал часу вільчека працює нескінченно , оскільки система знаходиться в своєму надстабільному рівноважному стані.

Зрозуміти що таке кристали часу складно. Але фізики люблять вирішувати складні завдання

Отже, давайте представимо ряд частинок, кожна з яких має магнітну орієнтацію (спін), яка вказує вгору, вниз або з деякою ймовірністю в обох напрямках. Тепер уявімо, що перші чотири обертання спочатку спрямовані вгору, вниз, вниз і вгору. спини будуть квантово механічно коливатися і швидко вирівнюватися, якщо зможуть.

Але випадкова взаємодія між ними може призвести до того, що ряд частинок застрягне у своїй певній конфігурації, не в змозі перебудуватися або встановити теплову рівновагу. Вони будуть вказувати вгору, вниз, вниз і вгору нескінченно.

Як нещодавно виявили дослідники, локалізовані системи з багатьма тілами можуть демонструвати особливий порядок, який стане другим ключовим компонентом кристала часу: якщо перевернути всі обертання в системі (в нашому прикладі вниз, вгору, вгору і вниз), ми отримаємо інший стабільний локалізований стан з багатьма тілами. Більш того, нещодавно дослідникам вдалося помістити кристали часу в квантовий комп’ютер .

Кристали часу і квантові комп’ютери

Важливо розуміти, що кристали часу, як і інші квантові явища, порушують деякі відомі фізичні закони – зокрема, перший закон руху ісаака ньютона. І якщо вченим дійсно вдалося помістити кристали вільчека в квантовий комп’ютер – як зазначено в препринті наукової роботи-їх відкриття може змінити світ всього за одну ніч.

Так-так, кристали часу здатні докорінно змінити правила гри для квантових комп’ютерів. Зрештою, вони працюють на найважливішому молекулярному і навіть частковому рівні, отримуючи вигоду від таких ідей, як проходження електронів навколо твердих матеріалів (буквально, що таке електрика!), і, по-хорошому, являють собою величезну проблему для вчених.

Кристали часу і квантові комп’ютери можуть змінити світ

На більш практичному рівні існують способи, за допомогою яких квантові комп’ютери пропонують особливий доступ до ідей, з якими традиційні електронні комп’ютери просто не можуть впоратися. Саме тут вступають в гру кристали часу – якщо подальша експертна оцінка покаже, що висновки авторів нового дослідження є достовірними.

Електронні комп’ютери, подібні до того, на якому ви, можливо, читаєте цю статтю, використовують логічні елементи, які включаються і вимикаються, тому все у вашому комп’ютері залежить тільки від двох станів: включено і вимкнено, світло і темно, 1 і 0, словом, вся двійкова система. Введення кубітів (квантових бітів, які часто являють собою один атом елемента з ретельно контрольованим електроном) ще сильніше ускладнює ситуацію, як за рахунок додавання більшої кількості можливих станів (а не просто вкл-викл), так і за рахунок додавання всієї основи квантової невизначеності.

Тепер уявіть, що число від 1 до 100 насправді є результатом чогось на зразок плану створення вічного двигуна. Насправді існують тисячі, мільйони або навіть більше можливостей. Замість того щоб намагатися» змусити ” двійковий комп’ютер виконувати роботу незручним способом, квантовий комп’ютер міг би допомогти вченим більш природно уявити, що відбувається.

Команда google і ще 100 вчених з різних країн працюють над створенням квантового комп’ютера

Саме тут кристали часу відкривають море можливостей, а не тільки квантові обчислення кубітів. Кристали часу стабільні, але пульсують з цікавими інтервалами, що означає, що вони можуть допомогти вченим вивчати такі речі, як повторювані закономірності або випадкові числа – з аналогічними наслідками в природних науках і за їхМежа.

Як вчені створили кристали часу

В ході нового дослідження група з більш ніж 100 вчених з усього світу працювала разом з командою google quantum ai (спільною ініціативою google, наса і некомерційної асоціації космічних досліджень університетів, мета якої – прискорити дослідження в області квантових обчислень і комп’ютерних наук). У статті вчені описують створення спеціальної мікроскопічної установки, в якій часовий кристал оточений надпровідними кубітами.

Квантовий комп’ютер знаходиться всередині кріостата, який являє собою камеру переохолодження з регульованою температурою, яка підтримує всі матеріали при правильній, надзвичайно низькій температурі для просунутих станів, таких як надпровідні або кристали вільчека.

Можливо в самому найближчому майбутньому будуть створені неймовірно швидкі і потужні квантові комп’ютери

Як пише quanta mafgazine, якщо висновки дослідників підтвердяться, то це буде перша повністю успішна демонстрація кристала часу. В цілому ж, не дивно, що google очолює рух в напрямку потужних квантових обчислень, ну а ми з вами будемо чекати експертної оцінки і подальших досліджень. Хто знає, може бути кристали часу і квантові комп’ютери і правда багато змінять.