Некоторые из современных квантовых физиков возятся с эзотерической фазой материи, которая, кажется, не подчиняется некоторым из наших законов физики.
В последние несколько лет физики всего мира конструируют другое состояние материи: «кристалл времени». Pixabay
Возможно, вы хорошо знакомы с основными состояниями материи - твердое, жидкое, газообразное - которыми наполнена повседневная жизнь на Земле.
Но эти три разных вида материи, каждый из которых выглядит и действует по-разному, далеко не вся Вселенная. Ученые открыли (или создали) десятки более экзотических состояний материи, часто носящих мистические и причудливые названия: сверхтекучие жидкости, конденсаты Бозе-Эйнштейна и нейтронно-вырожденная материя, и это лишь некоторые из них.
В последние несколько лет физики всего мира конструируют другое состояние материи: «кристалл времени». Если это похоже на техноболтовню из фильмов категории B, то это уже не техноболтовня. Используя квантовый компьютер, несколько исследователей создали кристалл времени, который, по их мнению, прочно утвердил кристаллы времени в мире физики.
Исследователи еще официально не опубликовали свое исследование, но в прошлом месяце они разместили препринт (научная статья, которая еще не прошла редактуру) на веб-сайте ArXiV.
Так что же такое кристалл времени? Это может звучать как важнейший компонент, который заставляет тикать машину времени, какой-то футуристический источник энергии или, возможно, артефакт потерянной инопланетной цивилизации. Но для ученых кристалл времени на самом деле представляет собой нечто более тонкое: любопытство законов физики.
Любой кристалл стандартного болота, такой как алмаз, изумруд или даже кубик льда, определяется тем, что атомы кристалла каким-то образом расположены в повторяющемся порядке в пространстве. Есть три измерения пространства и четвертое измерение, время. Поэтому физики задались вопросом, могут ли атомы кристалла располагаться в повторяющемся порядке во времени.
На практике это работает примерно так. Вы создаете кристалл, атомы которого начинаются в одном состоянии. Если вы взорвете этот кристалл точно настроенным лазером, эти атомы могут перейти в другое состояние, а затем вернуться обратно, а затем снова перевернуться и так далее, и все это без фактического поглощения энергии лазера.
Если вы сделаете шаг назад, то, что вы только что создали, представляет собой состояние материи, которое находится в постоянном движении, бесконечно, не потребляя никакой энергии.
Это немалый подвиг. Это противоречит одному из самых священных принципов классической физики: второму закону термодинамики. Этот закон гласит, что количество энтропии или беспорядка всегда имеет тенденцию к увеличению. Думайте об этом как о вазе, балансирующей на краю стола. Вселенная хочет столкнуть эту вазу и заставить ее разбиться об пол. Чтобы собрать все воедино, нужно вложить энергию.
Кристаллы времени на самом деле являются довольно новой идеей, впервые выдвинутой лауреатом Нобелевской премии физиком Франком Вильчеком в 2012 году. законническая голова.
Естественно, целеустремленные исследователи нашли лазейки. В 2016 году физикам из Мэрилендского университета удалось собрать грубый кристалл времени из набора атомов иттербия. Другие группы создали кристаллы времени внутри бриллиантов.
Но эти последние мастера по кристаллам времени сделали нечто иное. Они обратились к Google и использовали квантовый компьютер: устройство, использующее преимущества квантовой механики, кажущейся мистической физики, управляющей вселенной в мельчайших масштабах. Вместо использования кусочков кремния, как в обычных «классических» компьютерах, квантовые компьютеры работают непосредственно с атомами или частицами. Это позволяет физикам проводить эксперименты, которые с традиционными компьютерами могут быть мучительно трудными, поскольку квантовая физика, которая позволяет частицам быть несколькими вещами одновременно и частицам взаимодействовать на кажущихся невозможными расстояниях, становится весьма эзотерической.
«Возможность моделировать правила становится намного сложнее» с традиционными компьютерами, - говорит Габриэль Пердью, исследователь квантовых компьютеров в Фермилабе, национальной лаборатории в пригороде Чикаго, специализирующейся на высокотехнологичной физике элементарных частиц.
Но, размещая частицы в процессоре квантового компьютера, можно буквально изучать системы крошечных частиц, как если бы они были строительными блоками. Это мощная способность, и вы редко встретите ее в неквантовом мире.
«Знаете, мы не вычисляем, как далеко заходит бейсбольный мяч, создавая миниатюрных бейсболистов и моделируя их», - говорит Пердью. Но, по его словам, сделать что-то очень похожее в очень небольшом масштабе - это то, что исследователи использовали квантовый компьютер Google, чтобы сделать свой кристалл времени.
В этом случае физики могли бы взять атомы, перестроить их, а затем импульсировать их лазером, чтобы управлять кристаллом времени. Эта установка позволила исследователям создать кристалл времени, который больше любого кристалла времени до него. В то время как многие предыдущие кристаллы времени были недолговечными и распутывались в течение нескольких циклов переворота туда-сюда, ученые, стоящие за этим последним усилием кристаллов времени, восхищаются стабильностью того, что они создали.
«Самое интересное здесь для меня, - говорит Пердью, - это демонстрация использования квантового компьютера для реального моделирования системы квантовой физики и изучения ее действительно новым и захватывающим способом.”
Итак, действительно ли эти кристаллы времени могут привести к новой волне зарождающихся машин времени?
Возможно, нет. Но они могут помочь сделать квантовые компьютеры более надежными. Инженеры годами пытались создать что-то, что могло бы служить памятью в квантовых компьютерах; некоторый эквивалент кремния, лежащего в основе традиционных компьютеров. Кристаллы времени, считают физики, могли бы служить этой цели.
И этот эксперимент, говорит Пердью, также является демонстрацией способности квантовых компьютеров заниматься наукой. «Та же платформа, которая упрощает моделирование какого-нибудь крутого алгоритма, - говорит он, - работает так же хорошо, и я бы сказал, даже лучше, для моделирования таких систем».