Автор фото Science Photo library

В конце июля компания Google объявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи — так называемый кристалл времени (или темпоральный ой кристалл), само существование которого, кажется, бросает вызов фундаментальным законам физики.

Исследователями из Стэнфорда, Принстона и других ведущих американских университетов подготовили научную статью, в которой подробно описали технологию создания кристалла. Осенью ее опубликуют в журнале Nature — после того, как статью проверит научное сообщество.

Авторы работы (а в черновике публикации перечислено более сотни имен) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие подтвердится, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.

Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров — настолько быстрых и мощных, что они смогут за считанные минуты решать задачи, на которые у современных процессоров пошли бы тысячелетия. Собственно, кристалл времени и создали внутри самого мощного на сегодня квантового компьютера, Google Sycamore.

Эксперты называют это открытие настолько революционным, что «мы пока даже не можем полностью осознать его важность».

Щ в такое кристалл времени?

Всем известны три основных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они существенно отличаются физическими свойствами, но могут переходить один в другой при необходимых условий — давлении и температуре.

Однако этими тремя состояниями Вселенная не ограничивается. Ученым известны и другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла нам заменить громоздкие телевизоры на мониторы с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в основном в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всех привычных для нас веществ.

За последние сто лет в лабораторных условиях удалось получить сверхтекучих квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденную вещество, бозе-эйнштейновской конденсат и другие.

Темпоральный кристалл — один из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое кристалл обычный — то драгоценное бриллиант, или простой лед.

В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл — твердое тело. Его атомы (или молекулы) связаны между собой и расположены в строгом повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, как углы клеток на шахматной доске. Впрочем, клетки плоские, а кристалл объемный — так что его структура скорее напоминает кубик Рубика.

Автор фото Getty Images

В жидком и газообразном состоянии вещество со всех сторон выглядит одинаково. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. Поэтому ученые говорят, что в кристаллах пространственная симметрия нарушена.

Однако теория относительности утверждает, что, кроме трехмерного пространства, во Вселенной есть и четвертое измерение — время. Поэтому в 2012 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться так же — в повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга — но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в исходное положение.

Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом вверх. Затем эту коробку хорошенько потрясли, открыли — и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перекинулись одинаково: теперь все до единой лежат вверх решкой.

Потрясли еще раз — опять везде орел; еще — опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась сначала — и возвращается к нему снова и снова, после каждой парной изменения. А после каждой нечетной — изменяет это состояние на противоположное.

Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а ее результат повторяется через раз, ученые говорят, что в этом случае нарушена симметрия времени. Именно это — определяющая свойство темпоральных кристаллов.

Монеты в данном случае — это элементарные частицы, из которых состоит кристалл (как шарики на картинке выше). Орел и решка — их квантовые состояния, а «встряхивания коробки» — любой периодически повторяющийся воздействие (например, облучения кристалла лазером). Вильчек рассчитал, возможно ли такое в теории — и математические формулы сошлись, подтверждая его правоту.

Автор фото Getty Images

И хотя через несколько лет в опубликованных расчетах нобелевского лауреата вы явили неточности, эксперименты по созданию кристаллов времени продолжились — и, кажется, увенчались успехом.

Почему открытие кристалла времени это революция в науке?

Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики — в любом случае так кажется на первый взгляд.

Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не тратя при этом энергию (энергия лазера кристалла не передается, выступая своеобразным «физическим катализатором») — а это подозрительно напоминает вечный двигатель, существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке. Парижская академия наук перестала принимать и рассматривать проекты вечного двигателя в 1775 году — «учитывая очевидную невозможность его создания».

Возвращаясь к аналогии чуть выше, монеты в коробке переворачиваются не произвольно, случайным образом, а упорядоченно, все вместе — как если бы между ними был какой-то непонятный связь, — хотя наш опыт подсказывает, что в жизни так не бывает.

Телепортация — реальность. Как это работает?

Всем известно, что разбить любой предмет значительно проще, чем собрать его из нескольких частей. Смешать белок и желток — дело нескольких секунд, а вот разделить их после этого практически невозможно. Эти примеры наглядно демонстрируют нам действие Второго закона термодинамики, который говорит, что с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, движется от порядка к хаосу. То есть к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое положение физики называют «тепловая смерть».

Отпущенный маятник не может колебаться бесконечно: во время движения он тратит энергию, поэтому рано или поздно колебания угасают. А энергия темпорального кристалла остается неизменной без всякого подпитки извне, поэтому в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое (и возвращаться) бесконечно.

Правда, инженер Google и ведущий автор работы Сяо мы рассказал ВВС, что эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристалл не годится.

«Хотя кристалл действительно демонстрирует» вечное движение «, это движение не производит энергии», — объясняет он.

«На самом деле свидетельство вечного движения в квантовых системах нам уже встречалось, — продолжает физик. — Например, в сверхпроводниках. По каким электроны путешествуют, не встречая никакого сопротивления. Или в сверхтекучих жидкостях, где так же без всякого сопротивления перемещаются атомы гелия. Хотя ни там, ни там пространственная симметрия не нарушена — а значит, под определение темпоральных кристаллов они не попадают «.

По теории относительности, где время и пространство находятся на одном фундаменте, то в этой системе координат действительно может показаться, что, если уж обычные кристаллы (то есть любые твердые тела в целом) нарушают пространственную симметрию, то со всей очевидностью должна нарушаться и симметрии относительно сдвига во времени.

«Несколько лет теоретических исследований ушло на то, чтобы понять:» тепловой смерти «можно избежать путем так называемой багаточасты ннои локализации (MBL), за счет которой нарастание энтропии в каждой части системы замедляется «, — говорит Сяо Ми.

Зачем все это?

Теоретическая физика не относится к прикладным наукам — а значит, в ближайшее время невероятное открытие вряд ли найдет достойное применение на практике.

Поскольку темпоральные кристаллы оказались невероятно устойчивыми к электромагнитному шума (т.е. любых воздействий извне системы), им с большой вероятностью найдется применение при создании сверхточных часов и гироскопов.

Еще одна популярная версия заключается в том, что обнаружение столь уникальной формы материи приближает ученых к созданию запоминающих устройств для квантовых суперкомпьютеров.

Однако пока любые версии применения темпоральных кристаллов на практике — не более чем предположения. Даже сами создатели кристалла не могут убедительно ответить на вопрос, где технология найдет свое практическое применение, и не исключают, что на это уйдут десятилетия. Однако, по словам Сяо Ми, с точки зрения науки не это главное.

«Кристаллы времени — явление столь удивительное, что заслуживает изучения просто так, без всякой практической цели, — уверяет он. — Ведь нам так мало известно о состояния, в которых вещество может выходить за пределы температурного равновесия «.