Вчені створили кристали часу в квантовому процесорі Google

«Кристали часу» звучать як якесь фантастичне явище, проте вони реальні - і тепер один з них вдалося відтворити в квантовому процесорі Google Sycamore.

Звичайні кристали характеризуються високоупорядкованою структурою атомів у повторюваному візерунку. Отже, якщо ці атоми повторюються в просторі, чи можуть існувати інші кристали з візерунком, що повторюється в часі? І як це може виглядати? У 2012 році лауреат Нобелівської премії Франк Вільчек припустив, що ці так звані «тимчасові кристали» дійсно можуть існувати, і до 2016 року вони були навіть експериментально створені в лабораторії. Пізніші дослідження виявили їх у дитячому наборі для вирощування кристалів і спостерігали, як вони взаємодіють один з одним.

У кристалі часу атоми демонструють рух за схемою, яка періодично повторюється - так, наприклад, їх спини перевертаються вгору і вниз в передбачуваному тикаючому патерні. Але що дивно, так це те, що цей ритм не відповідає частоті сили, яка його запустила, і в ідеальній системі атоми будуть продовжувати цупати нескінченно без будь-яких додаткових дій.

Щоб було зрозуміліше, уявіть собі найдивнішу в світі миску з желатином. Зазвичай, якщо ви натиснете на матеріал, він буде погойдуватися протягом декількох секунд, а потім зупиниться, поки ви не натиснете на нього знову. Чого ви точно не очікуєте, так це того, що він проведе вічність, поперемінно погойдуючись і не погойдуючись, всього після двох натискань - але саме це і робить кристал часу.

Це може здатися парадоксом, який занадто близький до вічного двигуна, але кристали часу технічно не порушують закони термодинаміки. Енергія зберігається в системі в цілому, а ентропія (міра безладу) не зменшується, а залишається постійною.

Нещодавно дослідники продемонстрували кристал часу в квантовому процесорі Google Sycamore. Команда обробила решітку з 20 кубітів - квантових бітів інформації - за допомогою лазера, щоб запустити «тікання». Тоді кубіти будуть перевертати свої спини тільки один раз на кожні два лазерних імпульсу, порушуючи симетрію трансляції часу і створюючи кристал часу. Важливо відзначити, що, за словами дослідників, це був перший кристал, що демонструє «локалізацію безлічі тіл», феномен, який зберігає їх стабільність.

У цьому конкретному експерименті вчені змогли спостерігати за системою тільки протягом декількох сотень циклів, але вони кажуть, що змогли підтвердити довгострокову стабільність тимчасових кристалів, використовуючи моделювання, виконуване самим квантовим комп'ютером.