Подобно вечному двигателю, кристалл времени вечно переходит из одного состояния в другое без затрат энергии. Физики утверждают, что им удалось создать эту новую фазу материи внутри квантового компьютера.
Автор: Натали Волчовер
Публикуется в сокращении
В препринте, опубликованном в интернете ранее, исследователи из Google в сотрудничестве с физиками из Стэнфорда, Принстона и других университетов утверждают, что они использовали квантовый компьютер Google для демонстрации настоящего «кристалла времени». Кроме того, ранее в этом месяце отдельная исследовательская группа заявила о создании кристалла времени в алмазе.
Новая фаза материи, которую физики стремились синтезировать в течение многих лет, кристалл времени — это объект, части которого движутся в регулярном, повторяющемся цикле, поддерживая эти постоянные изменения без затрат энергии.
«Последствия удивительны: мы обходим второй закон термодинамики» — говорит Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем имени Макса Планка в Дрездене (Германия) и соавтор статьи в Google. Это закон, согласно которому беспорядок всегда увеличивается».
Кристаллы времени также являются первыми объектами, спонтанно нарушившими «симметрию переноса времени» — обычное правило, согласно которому стабильный объект остается неизменным в течение всего времени. Кристалл времени является одновременно стабильным и постоянно меняющимся, с особыми моментами, которые наступают через периодические промежутки времени.
Кристалл времени — это новая категория состояния материи, расширяющая определение того, что такое состояние или. Все другие известные фазы, такие как вода или лед, находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы переходят в состояние с наименьшей энергией, допустимой при температуре окружающей среды, и их свойства не меняются со временем. Кристалл времени — это первая «неравновесная» фаза: он обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбужденном и эволюционирующем состоянии.
«Это совершенно новое и захватывающее пространство, в котором мы сейчас работаем» — говорит Ведика Хемани, физик в области конденсированного состояния, работающая сейчас в Стэнфорде, которая открыла новую фазу, будучи аспиранткой, и стала соавтором новой статьи вместе с командой Google.
Хемани, Месснер, Шиваджи Сонди из Принстона и Ахиллеас Лазаридис из Университета Лафборо в Великобритании обнаружили возможность существования фазы и описали ее ключевые свойства в 2015 году; вскоре после этого конкурирующая группа физиков под руководством Четана Наяка из Microsoft Station Q и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре определила ее как кристалл времени.
Исследователи участвовали в гонке по созданию кристалла времени в течение последних пяти лет, но предыдущие демонстрации, хотя и были успешными сами по себе, не удовлетворяли всем критериям, необходимым для установления существования кристалла времени. «Есть все основания полагать, что ни один из этих экспериментов не увенчался полным успехом, а квантовый компьютер, подобный [компьютеру Google], имеет все шансы сделать это гораздо лучше, чем те ранние эксперименты» — отметил Джон Чалкер, физик конденсированной материи из Оксфордского университета, который не принимал участия в новой работе.
Команда Google по квантовым вычислениям попала в заголовки газет в 2019 году, когда они впервые в истории выполнили вычисления, которые обычные компьютеры, как считалось, не могут выполнить за практическое время. Однако эта задача была надуманной, чтобы продемонстрировать ускорение, и не представляла никакого интереса по своей сути. Новая демонстрация кристалла времени знаменует собой один из первых случаев, когда квантовый компьютер принёс реальную пользу.
«Это фантастическое использование компьютера [Google]», — говорит Наяк.
Благодаря препринту, который был отправлен на публикацию, и другим недавним результатам, исследователи оправдали первоначальные надежды на квантовые компьютеры. Физик Ричард Фейнман в своей статье 1982 года, в которой предполагал появление этих устройств, утверждал, что они могут быть использованы для моделирования частиц любой мыслимой квантовой системы.
Кристалл времени является примером такого видения. Это квантовый объект, который сама природа, вероятно, никогда не создаст, учитывая сложное сочетание тонких ингредиентов. Воображение придумало этот рецепт, взбудораженное самыми загадочными законами природы.
Невозможная идея воскрешена
У первоначальной идеи создания кристалла времени был фатальный недостаток.
Лауреат Нобелевской премии физик Фрэнк Вильчек задумал эту идею в 2012 году, когда проводил занятия по обычным (пространственным) кристаллам. «Если вы думаете о кристаллах в пространстве, то очень естественно подумать о классификации поведения кристаллов во времени».
Рассмотрим алмаз, кристаллическую фазу глыбы атомов углерода. Эта глыба управляется одними и теми же уравнениями во всем пространстве, однако она принимает форму, которая имеет периодические пространственные изменения, с атомами, расположенными в точках решетки. Физики говорят, что это «спонтанно нарушает пространственно-трансляционную симметрию». Только состояния равновесия с минимальной энергией спонтанно нарушают пространственную симметрию таким образом.
Вильчек представил себе многокомпонентный объект, находящийся в равновесии, подобно алмазу. Но этот объект нарушает симметрию переноса времени: он испытывает периодическое движение, возвращаясь к своей начальной конфигурации через регулярные промежутки времени.
Такое стабильное состояние необычно, а необычные вещи становятся полезными.
Предложенный Вильчеком кристалл времени кардинально отличался от, скажем, настенных часов — объекта, который также испытывает периодическое движение. Стрелки часов сжигают энергию и останавливаются, когда разряжается батарейка. Кристалл времени Вильчека не требует никаких затрат энергии и продолжает работать бесконечно, поскольку система находится в сверхстабильном равновесном состоянии.
Если это звучит неправдоподобно, то так оно и есть: после долгих волнений и споров в 2014 году было доказано, что рецепт Вильчека не работает, как и все другие вечные двигатели, созданные за всю историю человечества.
В том году исследователи в Принстоне думали о другом. Хемани и ее советник Сонди изучали локализацию многих тел — продолжение локализации Андерсона, нобелевского открытия 1958 года, согласно которому электрон может застрять на месте, словно в расщелине на пересеченной местности.
Электрон лучше всего представить в виде волны, высота которой в разных местах дает вероятность обнаружения частицы в этом месте. Волна естественным образом расходится со временем. Но Филипп Андерсон обнаружил, что случайность — например, наличие случайных дефектов в кристаллической решетке — может привести к тому, что волна электрона распадется, разрушительно интерферируя сама с собой, и погаснет везде, кроме небольшой области. Частица локализуется.
В течение десятилетий люди считали, что взаимодействие между несколькими частицами разрушает эффект интерференции. Но в 2005 году три физика из Принстонского и Колумбийского университетов показали, что одномерная цепочка квантовых частиц может испытывать локализацию многих тел, то есть все они застревают в фиксированном состоянии. Это явление стало первым ингредиентом кристалла времени.
Представьте себе ряд частиц, каждая из которых имеет магнитную ориентацию (или «спин»), направленную вверх, вниз или с некоторой вероятностью в обе стороны. Представьте, что первые четыре спина изначально направлены вверх, вниз, вниз и вверх. Спины будут квантовомеханически колебаться и быстро выровняются, если смогут. Но случайные помехи между ними могут привести к тому, что ряд частиц застрянет в своей определенной конфигурации, не сможет перестроиться или прийти в тепловое равновесие. Они будут указывать вверх, вниз, вниз и вверх до бесконечности.
Сонди и его соавтор обнаружили, что локализованные во многих телах системы могут демонстрировать особый вид порядка, который станет вторым ключевым ингредиентом временного кристалла: если перевернуть все спины в системе (в нашем примере — вниз, вверх, вверх и вниз), то получится другое стабильное локализованное во многих телах состояние.
Осенью 2014 года Хемани вместе с Сонди отправился в академический отпуск в Институт Макса Планка в Дрездене. Там Месснер и Лазаридес специализировались на так называемых системах Флоке: периодически управляемых системах, таких как кристалл, который стимулируется лазером определенной частоты. Интенсивность лазера, а значит и сила его воздействия на систему, периодически меняется.
Месснер, Лазаридес, Сонди и Хемани изучали, что происходит, когда локализованная система из многих тел периодически приводится в движение таким образом. В ходе расчетов и моделирования они обнаружили, что если щекотать локализованную цепочку спинов лазером определенным образом, то они будут переворачиваться туда-сюда, перемещаясь между двумя различными локализованными состояниями многих тел в повторяющемся цикле вечно без поглощения чистой энергии от лазера.
Они назвали свое открытие пи-спин-гласс фазой (где угол пи означает переворот на 180 градусов). Группа сообщила о концепции этой новой фазы материи — первой внеравновесной фазе, идентифицированной многими телами, — в препринте 2015 года, но слова «временной кристалл» в нем не было. Авторы добавили этот термин в обновленной версии, опубликованной в журнале Physical Review Letters в июне 2016 года, поблагодарив рецензента за то, что он установил связь между их фазой пи-спинового стекла и кристаллами времени.
Между появлением препринта и его публикацией произошло еще кое-что: Наяк, бывший аспирант Вильчека, и его соавторы Доминик Эльзе и Бела Бауэр в марте 2016 года опубликовали препринт, в котором предложили существование объектов, называемых временными кристаллами Флоке. В качестве примера они указали на pi спин-стеклянную фазу Кемани и компании.
Кристалл времени Флоке демонстрирует такое поведение, которое предполагал Вильчек, но только при условии, что он периодически приводится в движение внешним источником энергии. Этот тип временного кристалла обходит неудачу оригинальной идеи Вильчека тем, что никогда не утверждает, что находится в тепловом равновесии. Поскольку это локализованная система из многих тел, ее спин или другие части не могут прийти в равновесие; они застряли там, где они есть. Но система также не нагревается, несмотря на то, что ее накачивает лазер или другой драйвер. Вместо этого она бесконечно циклически переходит из одного локализованного состояния в другое.
Уже лазер нарушит симметрию между всеми моментами времени для ряда спинов, навязав вместо этого «дискретную симметрию переноса времени» — то есть идентичные условия только после каждого периодического цикла лазера. Но затем, через свои перевороты туда-сюда, ряд спинов еще больше нарушает дискретную симметрию переноса времени, навязанную лазером, поскольку его собственные периодические циклы кратны периодическим циклам лазера.
Квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры — это не следующее поколение суперкомпьютеров, это нечто совершенно иное. Прежде чем мы сможем начать разговор об их потенциальном применении, нам необходимо понять фундаментальную физику, которая лежит в основе теории квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры состоят из «кубитов» — по сути, управляемых квантовых частиц, каждая из которых может одновременно находиться в двух возможных состояниях, обозначаемых 0 и 1. Когда кубиты взаимодействуют, они могут совместно жонглировать экспоненциальным числом одновременных возможностей, обеспечивая вычислительные преимущества.
Кубиты Google состоят из сверхпроводящих алюминиевых полосок. Каждая из них имеет два возможных энергетических состояния, которые можно запрограммировать так, чтобы спин был направлен вверх или вниз. Для демонстрации Кечеджи и его коллеги использовали чип с 20 кубитами в качестве кристалла времени.
Возможно, главным преимуществом машины перед конкурентами является ее способность настраивать силу взаимодействия между кубитами. Эта настраиваемость является ключом к тому, почему система может стать кристаллом времени: программисты могли рандомизировать силу взаимодействия кубитов, и эта случайность создавала деструктивные помехи между ними, что позволило ряду спинов достичь локализации многих тел. Кубиты могли не выравниваться, а фиксироваться в заданном шаблоне ориентации.
Исследователи задавали спинам произвольные начальные конфигурации, например: вверх, вниз, вниз, вниз, вверх и так далее. Накачка системы микроволнами меняла ориентацию спинов, направленных вверх, на ориентацию вниз и наоборот. Запустив десятки тысяч демонстраций для каждой начальной конфигурации и измерив состояния кубитов через разное количество времени в каждом запуске, исследователи смогли заметить, что система спинов перебрасывается туда и обратно между двумя локализованными состояниями многих тел.
Отличительной чертой фазы является чрезвычайная стабильность. Лед остается льдом, даже если температура колеблется. Действительно, исследователи обнаружили, что микроволновые импульсы должны были перевернуть спины на 180 градусов, но не настолько, чтобы спины вернулись к своей первоначальной ориентации после двух импульсов, как маленькие лодочки, которые сами себя поправляют. Более того, спины не поглощали и не рассеивали чистую энергию микроволнового лазера, оставляя беспорядок в системе неизменным.
5 июля команда из Делфтского технологического университета в Нидерландах сообщила, что они создали кристалл времени Флоке не в квантовом процессоре, а из ядерных спинов атомов углерода в алмазе. Делфтская система меньше и более ограничена, чем временной кристалл, реализованный в квантовом процессоре Google.
Пока неясно, может ли кристалл времени Флоке найти практическое применение. Но его стабильность кажется Месснеру многообещающей. «Что-то, что так стабильно, как это, необычно, а необычные вещи становятся полезными», — сказал он.
Оригинал: Quanta Magazine
