Квантовий процесор Google дозволив спостерігати кристал часу
У майбутньому квантові комп’ютери дозволять робити важкі обчислення і допоможуть переосмислити наше розуміння основ науки. Це тому, що квантові комп’ютери використовують силу квантової механіки — підрозділу фізики, який пояснює, як навколишній світ природи працює на субатомному рівні. Хоча ми ще далекі від створення корисного квантового комп’ютера, команда Google Quantum AI вже проводить нові експерименти з квантовими процесорами. Один конкретний експеримент, щойно опублікований в науковому журналі Nature, — це робота над новою фазою матерії, яка називається кристалом часу.
Протягом багатьох років вчені висловлювали теорію про можливість існування кристала часу і задавалися питанням, чи можна його коли-небудь спостерігати. Використовуючи квантовий процесор Sycamore, в Google довели, що це можливо.
Може здаватися, що кристал часу — це щось зі сторінок науково-фантастичного роману, але в Google продемонстрували, що його можна спостерігати, навіть якщо здається, що він суперечить основним законам природи. Якщо взяти кристали смарагду, діаманту чи солі, то на мікроскопічному рівні вони складаються з повторюваних моделей — багатьох шарів атомів, що в кінцевому підсумку утворюють фізичну структуру. Наприклад, зерно солі складається з атомів натрію та хлору. Кристал часу подібний, але замість того, щоб утворювати повторюваний візерунок у просторі, у часі утворюється коливальний малюнок.
Щоб простіше пояснити кристал часу, в Google наводять такий приклад:
«Скажімо, ви фотографували планету та її супутник щоразу, коли вона закінчує свою орбіту протягом певного періоду часу, за допомогою телескопа Хаббл. Усі ці фотографії виглядали б однаково, коли місяць повторював свою орбіту знову і знову. Тепер, гіпотетично, припустимо, що на орбіту планети були додані сотні нових місяців. Кожен новий місяць чинив гравітаційну силу на орбіти інших. З часом супутники почали відхилятися від своїх орбіт, ніколи не повертаючись у вихідну точку. Це збільшення безладу або ентропії неминуче через другий закон термодинаміки, фундаментальний закон фізики. Але що якби існувала система планети і багатьох супутників, де останні могли б періодично повторювати свої орбіти, ніколи не збільшуючи ентропію? Ця конфігурація — очевидно, важкодосяжна — буде вважатися кристалом часу».
Квантові об’єкти поводяться як хвилі, подібно до того, як гідролокатор використовує для їхнього виявлення звукові хвилі, відбиті від твердих об’єктів на дні океану. Якщо середовище, через яке проходить квантова хвиля, містить кілька об’єктів у випадкових місцях у просторі, то хвиля може бути обмежена й повністю зупинитися. Ключове уявлення про квантові хвилі – це те, що обмежує поширення ентропії і дозволяє виробляти стабільний у часі кристал, навіть незважаючи на те, що це, здається, суперечить другому закону термодинаміки. Ось тут на допомогу приходить квантовий процесор. У своїй статті для Nature дослідники компанії описали, як вони використовували процесор Sycamore як квантову систему для спостереження за коливальними хвильовими моделями стабільних кристалів часу.
Спостереження за кристалом часу показує, як квантові процесори можна використовувати для вивчення нових фізичних явищ, які роками спантеличують вчених. Перехід від теорії до реального спостереження є критичним стрибком і основою будь-якого наукового відкриття. Подібні дослідження відкривають двері для багатьох інших експериментів не тільки у фізиці, але і надихають майбутні квантові застосування в багатьох інших галузях.