Наука и техника

Квантовый компьютер Google создал «кристалл времени»

Этот объект бросает вызов законам физики и может произвести революцию в работе будущих компьютеров. Ученые утверждают, что им удалось создать кристалл времени длительностью около 100 секунд в сердце квантового процессора Sycamore компании Google. Впервые этот странный и увлекательный материал наблюдался достаточно долго, чтобы его можно было изучить.

Кристалл времени - это понятие, впервые введенное в 2012 году американским физиком Фрэнком Вильчеком; термин обозначает структуру, состоящую из группы частиц, упорядоченных по повторяющемуся образцу, как классический кристалл, но которые периодически перемещаются и возвращаются в исходное состояние, как осциллятор. Другими словами, расположение стандартных кристаллов повторяется в пространстве, а расположение временных кристаллов повторяется во времени.

Более того, они способны бесконечно переходить из одного состояния в другое без затрат энергии, как вечные часы, и никогда не терять энергию. Таким образом, эти кристаллы противоречат одному из важнейших законов физики - второму принципу термодинамики, который гласит, что любое преобразование системы сопровождается увеличением энтропии (которую можно приравнять к "беспорядку" системы). Хотя они существуют в состоянии постоянного потока, эти кристаллы остаются стабильными. Они представляют собой, так сказать, новую фазу материи.

Все системы имеют тенденцию переходить в более неупорядоченное состояние, в котором энергия распределяется равномерно. Но временные кристаллы не подчиняются этому фундаментальному правилу. Вместо того чтобы медленно приближаться к тепловому равновесию - так, чтобы их энергия или температура равномерно распределялись по всему их окружению, — они застревают между двумя энергетическими состояниями выше этого состояния равновесия, бесконечно переходя от одного к другому.

Чтобы объяснить такое поведение, Курт фон Кейзерлинг, физик из Бирмингемского университета, проводит аналогию с герметичной коробкой, наполненной монетами, которую встряхивают миллион раз. По мере того как монеты рикошетят и отскакивают друг от друга, они "становятся все более хаотичными, исследуя всевозможные возможные конфигурации", пока тряска не прекращается и коробка не открывается: монеты оказываются в случайной конфигурации, примерно половина монет решкой вверх, а другая половина - наоборот, решкой вниз - независимо от того, как монеты были расположены изначально.

Теперь представьте, что кубиты в квантовом процессоре Google - это те самые монеты. Точно так же, как монеты могут быть "орлами" или "решками", кубиты могут быть 1 или 0, или, скорее, суперпозицией этих двух основных состояний. "Странность кристаллов времени заключается в том, что никакая тряска, никакое переключение из одного состояния в другое не может заставить кубиты в кристалле перейти в состояние с самой низкой энергией, которое является случайной конфигурацией", — отмечает фон Кейзерлинг. Кубиты могут переходить только из своего начального состояния во второе состояние и затем обратно. "Это не выглядит случайным. [Как будто [кристалл] запоминает свой первоначальный вид и повторяет этот паттерн с течением времени".

Таким образом, кристалл времени подобен маятнику, который продолжает раскачиваться. Но ни один крупномасштабный объект не может вести себя подобным образом; даже маятник, полностью изолированный от трения и сопротивления воздуха, в конце концов остановится. "Энергия начинает концентрироваться в центре масс маятника, но есть все эти внутренние степени свободы - например, способы, которыми атомы могут колебаться внутри стержня - в которые она в конечном итоге будет передана", — объясняет Ахиллеас Лазаридес, физик из Университета Лафборо. Только квантовая механика позволяет существовать кристаллам времени.

Доказательства существования новой фазы материи

В квантовом мире объекты ведут себя как точечные частицы и как маленькие волны, которые определяют вероятность присутствия частицы. Случайность может привести к тому, что волна вероятности погаснет везде, кроме небольшой области: тогда частица становится локализованной.

Исследователи использовали этот процесс локализации в качестве основы для своего эксперимента. Для создания кубитов они использовали 20 сверхпроводящих алюминиевых полосок, а затем запрограммировали каждую из них в одно из двух возможных состояний. Посветив на полоски микроволновым лучом, они смогли перевести кубиты из одного состояния в другое. Команда повторила эксперимент десятки тысяч раз, останавливаясь в разных местах, чтобы зафиксировать состояния кубитов. Они обнаружили, что кубиты чередуются только между двумя конфигурациями, и что они не поглощают тепло от микроволнового луча: таким образом, они создали кристалл времени.

Они также смогли доказать, что их кристалл времени является фазой материи. Чтобы элемент считался таковым, он, как правило, должен быть очень устойчив к колебаниям. Твердые вещества не плавятся при незначительном изменении температуры окружающей среды, точно так же как незначительные колебания не вызывают резкого испарения или замерзания жидкостей. Однако, слегка изменив температуру используемого микроволнового луча, исследователи обнаружили, что кубиты продолжают переходить из одного состояния в другое.

Другой характеристикой перехода от одной фазы к другой является нарушение физических симметрий, другими словами, идеи о том, что физические законы одинаковы для объекта в любой точке времени или пространства. Подобно тому, как вода, охлажденная ниже 0 °C, становится кристаллом в пространстве, нарушая пространственную симметрию, временные кристаллы становятся таковыми, нарушая временную симметрию. До превращения в кристаллическую фазу времени кубиты демонстрируют непрерывную симметрию в любой момент времени. Но кубиты в конечном итоге нарушают дискретную симметрию перевода времени, навязанную периодическим микроволновым лучом. Они являются первыми известными объектами, способными делать это.

Но, как и все квантовые компьютеры, Sycamore от Google страдает от декогеренции, которая может привести к распаду квантовых состояний кубитов и означает, что колебания кристаллов времени неизбежно затухают, когда окружающая среда вмешивается в работу системы. Поэтому исследователи работают над тем, чтобы более эффективно изолировать процессор для устранения проблемы. Интерес Google к темпоральным кристаллам основан на их потенциале для питания сверхмощных квантовых компьютеров, способных выполнять крупномасштабные вычисления гораздо быстрее, чем стандартный суперкомпьютер.

В связи с западным давлением на российские новостные ресурсы, возможностью отключения подконтрольных Западу соцсетей, DDoS атак и т.д, подписывайтесь на наш телеграм-канал или Дзен канал, чтобы быть в курсе всех новостей России и мира.

Back to top button