10 простых шагов к полупониманию кристаллов времени

Большинство из нас видели заголовки в июле 2021 года о том, что Google создает кристалл времени в квантовом компьютере и как это может быть величайшим прорывом в физике на сегодняшний день. Некоторые из нас на самом деле пытались прочитать эти новости. Конечно, они были очень круты со своими заявлениями о нарушении законов термодинамики и ожидающих технологии варп-привода, по крайней мере, до тех пор, пока мы не столкнулись с озадачивающими словами, такими как кубиты, собственное состояние и периодичность (отправляя большинство из нас обратно в Instagram).

Тем не менее, это увлекательный материал, но наука, стоящая за этим, невероятно продвинута и в значительной степени все еще теоретическая. Настолько, что многие ученые сами не могут до конца понять, что заставляет кристалл времени тикать. Иногда, однако, когда вы разбиваете эзотерическую тему и рассматриваете ее по сегментам, вся концепция постепенно становится яснее. Так что давайте попробуем…

10 Физик со сном и броской фразой

Впервые введенные в 2012 году лауреатом Нобелевской премии Фрэнком Вильчеком, профессором физики в Массачусетском технологическом институте, кристаллы времени были предложены в качестве теоретической фазы материи, которая будет отображать временную периодичность. Предметы с периодичностью обладают качествами, которые повторяются через определенные промежутки времени, а кристаллы (например, снежинки) имеют узоры, которые повторяются в 3D-мире, пример периодичности в пространстве. Вильчек предположил, что благодаря использованию устройств конденсированного состояния, способных наблюдать невероятно маленькие вещи, он может обнаруживать закономерности в частицах, которые также повторяются в измерении времени. (На данный момент большинство людей уже смущены, поэтому, если вы так себя чувствуете, вы находитесь там, где должны быть.)

Когда жидкости замерзают, молекулы внутри приближаются друг к другу в стабильном расположении, известном как их самое низкое энергетическое состояние. Таким образом, капли воды в небе превращаются в снежинки, когда температура падает, молекулы водорода и кислорода простираются и образуют гексагональную кристаллическую структуру по причинам, не совсем понятным. Это пример спонтанного нарушения симметрии — термин, который может сбивать с толку, поскольку часть красоты кристалла снежинки — это симметрия шести рукавов или ветвей, образующих его структуру. Как же тогда это может нарушать симметрию? Что дает?

Вода имеет определенную симметрию в том, что она выглядит и ощущается одинаково во всем; молекулы расположены последовательно. Но по мере того, как образуется снежинка, ее молекулярная структура чувствует себя вынужденной нарушить эту симметрию, образуя шесть ветвей из центральной призмы. Вильчек предположил, что во время самого низкого энергетического состояния квантово-механической системы, известного как трансляционная симметрия времени, также может быть нарушено в обычно неосязаемом 4-м измерении. Таким образом, это создаст наблюдаемый кристалл времени, подобный тому, как снежинки и другие 3D-кристаллы (кварц, алмазы и т. Д.) Нарушают пространственную поступательную симметрию.

Если все это звучит как запутанный мак, вступайте в академический клуб. Коллегам Вильчека было трудно понять концепцию во всей ее полноте. Они дискредитировали его рабочую модель, и хотя его исследования вызвали дальнейшие дебаты, они чувствовали, что он лает на неправильную сторону очень неясного дерева. Но в этом термине было что-то — кристалл времени — что, казалось, оживляло многие университетские разговоры. Название просто звучало слишком круто, чтобы не повторяться в пределах университетских столовых, прямо наряду с такими терминами, как «черная дыра», «темная материя» и «Comic-Con». Этот интерес помог сохранить теорию Вильчека в постоянном обсуждении.

Хорошая кампания всегда начинается с сильного слогана…

9 Установление некоторых основных правил

В течение первых четырех лет после публикации статьи Вильчека не только его рабочая модель была отклонена, но и вся концепция кристаллов времени была объявлена абсолютно невозможной исследователями как в Европейском центре синхротронного излучения в Гренобле, Франция, так и в Токийском университете. Конечно, почти сразу после этих негативных заявлений другие исследователи начали искать исключения из установленного правила, которые могли бы просто сработать.

Концепция дискретных кристаллов времени распространилась по всему миру квантовой физики — слово «дискретный», обозначающее отчетливую форму симметрии, отрывающуюся от фона непрерывной симметрии. Снежинки, опять же, являются хорошим примером этого. Когда они образуются в холодном воздухе, нежные ветви, которые растут, имеют собственную симметрию, отличную от гладкости жидкой воды.

Таким образом, дискретные кристаллы времени теоретически обладали способностью нарушать временную поступательную симметрию, по крайней мере, при поражении лазером или другой движущей силой. И такой паритеттиклы должны достигать собственной периодичности вращения, которая повторяется в кратных периодичности этой движущей силы. Звучит запутанно? Даже для коллег-физиков это становится довольно запутанным до такой степени, что ньютоновская физика кажется легко читаемой. Поэтому, чтобы лучше понять дискретные кристаллы времени, необходимо было установить несколько основных правил:

Первый критерий гласит, что кристалл должен быть надежным, что в основном означает, что он должен быть достаточно прочным, чтобы поддерживать свое текущее состояние, несмотря на внешние колебания в определенном диапазоне — так же, как кристалл снежинки остается в своем текущем физическом состоянии, несмотря на незначительные изменения температуры, которые могут произойти ниже 0 ° C (32 ° F). Точно так же истинный кристалл времени держится в пустыне квантового разрушения.

Второе правило требует, чтобы дискретный кристалл времени был невосприимчив к тепловой энергии накопителя, индуцирующего его текущее квантовое состояние. В принципе, ему не дают нагреваться. Способ сделать это — через так называемую локализацию многих тел или MBL, которая обеспечивает достаточно беспорядка в системе, чтобы позволить деструктивную интерференцию или акт противоположных волн, компенсирующих друг друга. Это удерживает кристалл от нагревания и потери стабильности.

Так… С концепцией кристаллов времени, значительно обновленной, пришло время дать ему еще одну попытку. И было много нетерпеливых ученых, готовых принять этот вызов!

8 Приближение кристаллов времени под другим углом

В 2016 году были проведены два очень важных эксперимента с использованием этой новой концепции. Во-первых, доктор Кристофер Монро из Университета Мэриленда заявил об успехе в создании самого первого проблеска дискретного кристалла времени. Команда Монро поймала цепочку ионов иттербия-171 в радиочастотных электромагнитных полях, манипулируя и наблюдая за их спиновыми состояниями, когда они били маленьких парней лазерами.

Это заставило их колебаться с целым числом, кратным периодичности привода — их собственный танец и верный признак того, что был достигнут дискретный кристалл времени. Хорошим визуальным эффектом для этого явления может быть порция Jell-O, покачивающегося с собственной частотой, несмотря на то, как вы можете пошевелить тарелкой наоборот. Кристалл времени развил стабильное и надежное субгармоническое колебание, которое сохранялось даже тогда, когда в противном случае оно возмущалось и тыкалось, пока его частота не становилась слишком сильной, чтобы поддерживать, заставляя его «плавиться» на квантовом уровне.

В том же году в Гарварде команда во главе с профессором Михаилом Лукиным получила аналогичные результаты, используя алмаз с дефектами азотно-вакантных центров (обычная примесь). Тем не менее, они использовали микроволновый привод, а не лазер, чтобы индуцировать связанные электронные спины. Кристаллы времени также были определены теоретически или обнаружены наблюдением в нескольких других отдельных экспериментах. Исследователи даже обнаружили намеки на то, что они встречаются естественным образом в кристаллах моноаммонийфосфата, обычно выращиваемых детьми в классе естественных наук.

Но эти эксперименты и выводы были встречены скептически, несмотря на их заявления об успехе. Многие ученые решили, что им нужен лучший метод подтверждения существования кристаллов времени. Таким образом, они обратились к другой новинке в области высшей физики, квантовым вычислениям, чтобы лучше понять нарушение симметрии времени.

7 Что такого особенного во времени?

Прежде чем мы сможем полностью понять кристаллы времени или увлечение ученых ими, нам сначала нужно понять, насколько неуловимым и неосязаемым на самом деле является так называемое 4-е измерение, несмотря на то, что мы буквально существуем и путешествуем через него каждый момент нашей жизни. Физикам трудно понять течение времени — как в прямом, так и в переносном смысле. Пока цифры на доске складываются, они просто воспринимают это как должное, как и все остальные. Тем не менее, многие из них ставят под сомнение положение времени как фактического измерения, поскольку оно, безусловно, совсем не действует, как первые три. Человек может стоять неподвижно в нашем 3D-мире (по крайней мере, относительно земли под ногами), но просто попробуйте стоять неподвижно во времени. Многие люди пытались; все они потерпели неудачу.

Еще в 4 веке философ Аристотель изо всех сил старался понять время. Он сделал мрачную заметку по этому вопросу, когда написал: «Время рушит вещи; все стареет под властью Времени и забывается по истечении Времени». Это, по-видимому, очень ранний комментарий на тему энтропии. Тринадцать веков спустя физик и астроном сэр Исаак Ньютон предположил, что «абсолютное время» очевидно только в математике. То, что мы, как люди, воспринимаем, является «относительным временем», измеряемым движением таких объектов, как Солнце или Луна.

Конечно, Альберт Эйнштейн популяризировал концепцию пространства.время в его теории относительности, связывая три пространственных измерения и время в четырехмерное многообразие. Он также описал, как гравитация может искривлять время, теория, которая верна, о чем свидетельствуют наши спутники GPS. На высоте 20 200 километров (10 900 морских миль) гравитация в четыре раза слабее. Таким образом, часы в космосе работают на 45 микросекунд быстрее каждый день, чем часы на Земле. Это компенсируется другим законом относительности, который гласит, что часы, движущиеся очень быстро, работают медленнее, чем стационарные, что объясняет, что те же самые спутниковые часы работают на семь микросекунд медленнее. После учета обоих факторов они работают примерно на 38 миллионных долей секунды быстрее каждый день, чем часы здесь. Если бы не компьютеризированная компенсация, это небольшое несоответствие привело бы к неисправности GPS всего за две минуты.

Итак, хорошо — математика на доске складывается, и мы знаем, как ее использовать, но как мы на самом деле касаемся времени? Как мы можем отойти от него, чтобы лучше изучить его? Как мы можем прикоснуться к нему или даже почувствовать его, кроме как через мимолетное и эфемерное чувство «сейчас»? Ну, в Штутгарте, Германия, ученые, возможно, действительно поймали визуальные доказательства времени на видео!

6 Пойман на камеру

Что ж, 2021 год, безусловно, был напряженным и предприимчивым годом в развитии кристаллов времени. На самом деле, в феврале один из них был фактически снят на видео в Институте интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте. Немецко-польская команда исследователей создала магнитную полосу с микроволновым полем, чтобы создать колеблющийся кристалл времени размером с микрометр из магнонов, упорядоченно расположенных в ряд. Магноны являются квазичастицами (если это помогает). Они танцевали взад и вперед в идеальном ритме, исчезая и вновь появляясь в своей собственной квантовой хореографии.

Кристалл также приветствовал других магнонцев в клубе, когда они были представлены. В унисон они прыгали взад и вперед с точной периодичностью между двумя отдельными физическими состояниями. Создание этого кристалла было значительно новаторским, и видео, снятое с помощью рентгеновского микроскопа, поражает, как только вы точно знаете, что смотрите. Кристалл также был уникален своим относительно большим размером и тем, что он существовал при комнатной температуре (а не в переохлажденной среде). Его концепция также предполагает, что кристаллы времени являются более распространенными и надежными, чем первоначально предполагалось.

Но это был не единственный вклад в изучение кристаллов времени от Общества Макса Планка в 2021 году. Директор их Института физики сложных систем, доктор Родерих Мёсснер, был частью команды университетских физиков, работающих с Google над созданием первого кристалла с квантовым компьютером. И действительно, вряд ли можно было бы найти более подходящее место, с которым можно было бы приготовить один из маленьких квантовых жучков.

5 Что такое квантовый компьютер?

Многие люди путают квантовые вычисления с суперкомпьютерами, которые на самом деле являются просто мэйнфреймами со сверхмощной производительностью. В то время как классические, или двоичные, вычисления полагаются на биты для хранения информации в значениях 0 или 1, квантовые компьютеры полагаются на кубиты (квантовые биты). Они могут представлять значения 0, 1 или обоих одновременно в состоянии, называемом суперпозицией, до тех пор, пока не будет определен результат. Взаимодействие между двумя или более кубитами называется запутанностью. Когда информация хранится в суперпозиции, вычисления выполняются экспоненциально быстрее на количество кубитов.

Итак, из чего же состоят кубиты? Колодец… вы не можете точно купить их в Best Buy. Широко разрекламированный квантовый компьютер Сикамора от Google содержал 54 сверхпроводящих транцевых кубита (только 53 из которых были функциональными), изготовленными из алюминиевых пластин около 100 микрон в поперечнике, шириной в несколько волосков. Мы действительно говорим об обработке информации в бесконечно малом масштабе. И как выглядит настоящая штуковина?

Платан представляет собой сложное скопление огней и нитей, окруженных роями плетеной проволоки, все они висят вниз головой в пределах криостата, поскольку для поддержания правильной работы кубитов на квантовом уровне необходимы чрезвычайно низкие температуры. Все это содержится в корпусе, напоминающем гигантскую жестяную банку, с периферийными элементами управления и оборудованием, заполняющим всю комнату. В результате Sycamore от Google никогда не рискует быть спутанным с одним из их гораздо более привлекательных Chromebook.

Не все квантовые компьютеры выглядят одинаково, так как их делают многие разные компании, и они построены с учетом конкретных проектов. Тем не менее, они способны к удивительно быстрому дедукции. В октябре 2019 года Google заявил о «квантовом превосходстве» над суперкомпьютерами, когда их Sycamore решил задачу случайного числа за 3 минуты и 20 секунд — подвиг, который занял бы у IBM Summit около 10 000 лет. В rIBM быстро разработала алгоритм, который значительно сократил разрыв. Тем не менее, платан взял приз. Но остерегайтесь Google, поскольку IBM планирует построить квантовый компьютер с 1121-кубитным чипом Condor к 2023 году. И обе компании планируют построить процессоры с 1 миллионом кубитов к 2030 году, что сделает Sycamore с 54 кубитами (1 сломанный) таким же устаревшим, как коммутируемое интернет-соединение.

Но как эти вещи думают? Квантовые компьютеры имеют дело с возможностями и вероятностями, в то время как традиционные вычисления используют транзисторы для сжатия через негибкие операции. Представьте себе массивный, сложный лабиринт между начальной точкой A и конечной точкой B. Классические вычисления в конечном итоге успешно перемещаются через лабиринт в точку B методом проб и ошибок. Тем не менее, квантовые вычисления будут рассматривать все возможности одновременно, прежде чем сузить правильный ответ за гораздо меньшее время. И очевидно, что это более эффективный способ мышления.

Но помимо гонок против традиционных компьютеров и вдохновляющих перспективных будущих исследовательских проектов, квантовые вычисления на самом деле мало что сделали, чтобы доказать себя как необходимая часть научных исследований, по крайней мере, до тех пор, пока не начались разговоры об использовании Платана Google для создания кристалла времени. И Google был более чем счастлив снова продемонстрировать свое квантовое чудо…

4 Кубиты с бриллиантами

Похоже, однако, что команда Google на самом деле не была первой, кто создал кристалл времени с использованием кубитов и квантового компьютера. Институт в Нидерландах под названием QuTech объявил о своем успехе в марте 2021 года, используя ядерные спины в алмазе, чтобы продемонстрировать свое «новое состояние материи». Их кристалл просуществовал всего около восьми секунд, прежде чем начал распадаться в результате взаимодействия с окружающей средой. Тем не менее, в идеально изолированной системе он мог бы закрутиться до глубины души навсегда.

QuTech сотрудничала с Element Six, поставщиком промышленных искусственных алмазов, и Калифорнийским университетом в Беркли, чтобы создать своего ребенка всего из девяти кубитов. Хотя они работали независимо от команды Google, оба проекта были одновременно активны. Их эксперимент также был хорошим представлением того, насколько разнообразны и индивидуальны квантовые компьютеры как в разработке, так и в реализации.

3 Поворот Google при нарушении временной симметрии

Успех Google в создании дискретного кристалла времени летом 2021 года был гораздо более разрекламирован, чем эксперимент QuTech, потому что, ну… Google — это Google, мега-мощная, многонациональная технологическая компания с узнаваемой цветовой схемой, которую мы все видим каждый день. Но академическая мощь сотрудничающей команды мечты также имела большое влияние. Для начала мы говорим об ученых из Института физики сложных систем Макса Планка, Стэнфордского университета, Оксфордского университета и, конечно же, Google Quantum AI Lab, которая сотрудничает с НАСА.

Это сотрудничество принесло смешанные стремления к их эксперименту, кроме просто создания кристалла времени. Приглашенные физики также хотели посмотреть, что Sycamore от Google может предложить им для будущих исследовательских проектов, изучающих физику конденсированного состояния, которая в основном изучает электромагнитные силы между атомами жидкостей и твердыми телами. И Google был более чем счастлив использовать экспериментальную природу своего квантового компьютера за пределами простых вычислений, поскольку они на самом деле не сделали с ним чертовски многого, кроме появления IBM двумя годами ранее.

Кристалл времени команды, сделанный из 20 кубитов, существовал всего восемь десятых секунды. Однако за это время компьютер наблюдал более миллиона отдельных квантовых состояний их творения, даже запуская его вперед и назад во времени (увлекательно само по себе), чтобы гарантировать, что он показывает неопределенные колебания в каждом. Но в то время как кристалл казался идеальным, его окружающая среда не была. И так же, как и тот, который был состряпан в QuTech, он пришел в упадок из-за помех. Однако, хотя он был активен, он соответствовал всем критериям, упомянутым ранее, чтобы сделать огранку как подлинный дискретный кристалл времени!

Google, конечно, получил большую часть заголовков и внимания от прессы для создания новой фазы материи. Десятки ученых, участвовавших в проекте, были очень горды тем, что их имена появились в статье, которая появилась в номере научного журнала от 30 ноября. Природа. Кроме того, обе команды в Google и QuTech показали почти безграничные возможности изучения теоретической физики в один прекрасный день с помощью следующего поколения квантовых компьютеров. И они уже доказали, что способны делать больше, чем просто обрабатывать цифры и перемещаться по лабиринтам.

2 Так… Нарушили ли мы законы термодинамики или нет?

После команды Google объявили о создании своего времени, появились кристально сенсационные заголовки новостей, многие из которых объявили о нарушении законов термодинамики и прорыве в вечном двигателе. Это монументальные утверждения, которые идут вразрез с базовой, эмпирической концепцией физики. И они были бы абсолютно поразительными, если бы они были правдой. Но это не так.

Первый и второй законы термодинамики прочно утвердились в научном сообществе с середины 19 века. Первая касается сохранения энергии, которая не может быть создана или уничтожена в замкнутой системе, ни такой маленькой, как на молекулярном уровне, ни такой большой, как сама Вселенная. Второй касается неизбежной концепции энтропии и предупреждает, что энергия в замкнутой системе в конечном итоге вернется к однородному беспорядку.

Оба этих закона доказывают невозможность вечного двигателя, так как энергия, используемая для зарядки устройства, по крайней мере, преобразуется в тепло через трение. Орбитальные паттерны планет в нашей Солнечной системе часто считаются имеющими вечный двигатель. Но из-за бесконечно малой потери энергии из-за гравитационных волн они на самом деле медленно движутся по спирали к Солнцу. (Однако мы должны утешаться тем фактом, что Солнце, скорее всего, взорвется в красную гигантскую звезду и расширится, чтобы встретиться с нами гораздо раньше, чем Земля спустится, чтобы встретиться с ней!)

Кристаллы времени, однако, по-видимому, нарушают законы термодинамики так же, как они нарушают временно-поступательную симметрию, поскольку они могут вечно циклически переключаться между двумя состояниями без потери энергии. Но они на самом деле не существуют вопреки какому-либо существующему закону физики, несмотря на их новизну и уникальность. Во-первых, законы термодинамики на самом деле не относятся к квантовому уровню. В этом случае общая система, включая влияние привода, сохраняет энергию как и положено, делая сам кристалл времени своего рода индивидуализированной «лазейкой». Другими словами, кристаллы времени могут приостанавливать законы термодинамики на неопределенный срок, даже не нарушая их. И это, конечно, звучит как лазейка!

Но лазейки часто полезны для тех, кто знает, как их эффективно использовать. Например, люди часто прыгают от радости на налоговые лазейки, которые экономят им деньги, или юридические лазейки, которые удерживают их от тюрьмы. Итак, как мы можем выгодно использовать эту квантовую лазейку, которую мы знаем как кристаллы времени?

1 Что мы можем сделать с этими вещами в любом случае?

Плохая новость об аспекте вечного двигателя кристаллов времени заключается в том, что они, вероятно, бесполезны, поскольку кристаллы находятся в своем основном состоянии — состоянии наименьшей возможной энергии. Это все равно, что поместить разряженные батареи в фонарик. И будучи сделанными из частиц в квантовом состоянии, они не являются теми кристаллами, которые вы можете носить на шее. Они также не красивые или блестящие, и удачи даже увидеть их лично в соответствии с современными технологиями. Несмотря на то, что теоретически они могут длиться вечно, давайте напомним себе, что кристалл времени Google выдержал всего восемь десятых секунды.

Но давайте исследуем это на мгновение, так как существует огромная разница между вечностью и восемью десятыми секунды. Технически, кристалл времени, созданный Google, был сильным и надежным и теоретически продолжал бы ездить на велосипеде туда и обратно навсегда. Тем не менее, сам чип Sycamore был неисправен и ограничен, как и все они. Кроме того, их кристалл был сделан из кубитов, которые уязвимы для помех из окружающей среды — состояние, называемое декогеренцией. Исследователи пытаются повысить эффективность квантовых компьютеров за счет лучшей изоляции процессоров. Удивительно, но ответом на их проблему могут быть сами кристаллы времени…

Представьте себе квантовый компьютер, работающий на кристаллах времени, которые существуют и колеблются без сжигания энергии, таким образом, не становясь жертвой энтропии (случайного снижения в беспорядок), как остальная чертова вселенная. Как упоминалось выше, кубиты, которые в настоящее время управляют квантовыми компьютерами, являются хрупкими и легко страдают от декогеренции, что в основном приводит к энтропии в их запутанности. Однако использование высокостабильных кристаллов времени вместо этого обеспечит запутанность без энтропии. Представьте себе эффективность квантовых вычислений следующего поколения, основанных на кристаллах времени и, с повышенной предсказуемостью, тайны нашей Вселенной, которые они могут раскрыть. Представьте себе достижения в области химии для лечения рака, варп-двигатели, которые продвигают нас к далеким звездам, и источники энергии, не зависящие от ископаемого топлива.

Представьте себе совершенно новый мир вычислений, и он скоро станет реальным, реальным!