Ученые google заявляют что им удалось создать кристалл времени внутри квантового компьютера
Обновлено: 04.07.2024
Кристалл времени постоянно переключается между двумя состояниями, не потребляя при этом энергии и представляя собой новое состояние материи. Звучит как вечный двигатель. Вот только вечный двигатель запрещен, а у кристалла времени, судя по эксперименту исследователей из Google и физиков из Стэнфорда и Принстона, есть шанс на его реальное воплощение в объекте, части которого двигаются в регулярном повторяющемся цикле, не сжигая энергию и словно игнорируя законы термодинамики.
Что произошло?
В начале августа группа ученых из Google в сотрудничестве с физиками из Принстона, Стэнфорда и других университетов опубликовала препринт научной статьи (препринт — это готовая статья, которая еще не прошла рецензирование независимыми учеными для публикации в авторитетном научном журнале).
Тем не менее этот препринт натворил много шума. Исследователи утверждают, что создали кристалл времени внутри квантового компьютера. Для этого использовался экспериментальный образец Sycamore — квантовый процессор, который уже давно разрабатывают в Google.
«Последствия поразительны: вы обходите второй закон термодинамики», — заявил Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем имени Макса Планка, описывая результат работы, соавтором которой он стал.
Что такое кристалл времени?
Кристалл времени — звучит максимально волшебно. Что-то сродни мультивселенной или частице Бога. Однако если разбирать это понятие, то фэнтезийный налет исчезает. Тем не менее под ним остается корочка научной фантастики.
Кристалл времени — это не совсем кристалл в потребительском понимании, да и время в его названии не свидетельствует о путешествиях в прошлое или будущее. Речь идет о гипотетической системе, которую в 2012 году предложил физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек. Есть пространственные кристаллы. В них в трех измерениях группы атомов располагаются строгими повторяющимися узорами. Тот же алмаз — это кристаллическая фаза скопления атомов углерода в точках решетки.
Почему бы не существовать и временны́м кристаллам, в которых структура повторялась бы в четвертом измерении — времени.
Пространственные кристаллы находятся в состоянии покоя. Такой кристалл сохраняет это состояние, пока к нему не будет приложена какая-то внешняя сила или энергия. Лед — это вода, которая при определенной температуре приобретает кристаллическое строение. Нагреем лед, его частицы начнут колебаться, и он растает.
Кристаллы времени периодически меняют свое строение в повторяющемся цикле, при этом им не нужна никакая энергия — в отличие от того же льда или, например, от настенных часов. Их стрелка движется с определенной периодичностью, но стоит кончиться заряду батарейки — часы остановятся. Или даже лучше представить пружину, к которой подвесили груз. Достаточно натянуть ее и отпустить, чтобы пружина сжималась и растягивалась с определенной периодичностью. Однако эти колебания затрачивают энергию, и со временем пружина с грузом остановится.
Кристаллы времени нарушают правило, согласно которому стабильный объект остается неизменным на протяжении всего времени, находясь в тепловом равновесии — в той стадии самой низкой энергии (например, в фазе льда), которая допустима температурой окружающей среды. Кристаллы времени оказываются одновременно стабильными и постоянно изменяются с определенным интервалом, затем возвращаясь в изначальное состояние, — и так по кругу. Это словно кубик льда в воде, который в первые пять минут таял, а затем снова формировался и приобретал изначальную форму.
Звучит неправдоподобно. Идею Нобелевского лауреата Вильчека раскритиковали сразу же, как только он ее высказал. Ну не может равновесная система в своем основном состоянии колебаться, а ее строго периодические колебания в возбужденном состоянии — нонсенс.
Предпосылки существования кристаллов времени
В 2005 году три физика из университетов Принстона и Колумбии доказали, что одномерная цепочка квантовых частиц может испытывать локализацию многих тел. То есть они способны застрять в фиксированном состоянии.
Физики Родерих Месснер и Ахиллеас Лазаридис изучали периодически управляемые системы, такие как кристалл, который стимулируется лазером определенной частоты. Интенсивность лазера и сила его воздействия на систему периодически менялись.
К ним примкнули Шиваджи Сонди и Ведика Хемани. Вместе ученые решили выяснить, что происходит, если таким же образом воздействовать на локализованную систему многих тел. Расчеты и компьютерное моделирование указывали, что определенное воздействие лазером на такую систему заставит «спины» частиц переворачиваться туда-обратно между двумя локализованными состояниями многих тел. Цикл будет бесконечным и не будет потреблять какой-либо чистой энергии от лазера.
Это случилось в 2015 году. С тех пор многие исследователи по всему миру только и занимались тем, что пытались создать подобный кристалл времени. Получалось у них не очень, соблюсти все критерии было непросто.
Что сделала команда Google?
Недавно другая группа ученых заявила, что смогла превратить ионы, которые были захвачены электромагнитным полем, в «дотепловой» кристалл времени. Ионы демонстрировали циклические вариации, которые практически неотличимы от требуемого результата. Но этот «дотепловой» кристалл оказался невечным. Если эксперимент длился долго, то система со временем уравновешивалась и циклическое переключение разрушалось.
Команда Google тем временем искала, чем бы занять свой прототип квантового компьютера. Он слишком примитивен и подвержен ошибкам, чтобы запускать алгоритмы шифрования и поиска, разработанные для полноценных квантовых компьютеров. А потому в Google согласились помочь Хемани и ее коллегам.
Кубиты, которые являются основой квантовых вычислений, в квантовом компьютере Google состоят из сверхпроводящих алюминиевых полос с двумя возможными энергетическими состояниями. Все это находится внутри криостата, где поддерживается чрезвычайно низкая температура.
Исследователи воспользовались чипом на 20 кубитов, который и выступил в роли кристалла времени. Кубитам придали произвольные начальные конфигурации, рандомизировали силу взаимодействия между ними, создав интерференцию и добившись локализации многих тел. Звучит сложно. По сути, кубиты зафиксировали в заданном шаблоне ориентации, в котором они не могли выровняться.
На всю эту систему воздействовали микроволнами, которые выступили своеобразным физическим катализатором. При этом система кубитов начала менять шаблон ориентации на противоположный и обратно и застряла во временном цикле. Исследователи заверяют, что кубиты не поглощали и не рассеивали чистую энергию микроволнового лазера.
Какое у этого практическое применение?
Пока никакого. Неясно, может ли кристалл времени иметь практическое применение. Хотя кристалл и демонстрирует «вечное движение», это движение как не потребляет никакой энергии, так и не производит ее.
Теоретическая, фундаментальная физика — это не прикладная наука. Вряд ли в ближайшее время этому открытию найдется практическое применение. Стабильность кристалла времени кажется исследователям впечатляющей.
«Что-то столь стабильное, как это, необычно. А необычные вещи становятся полезными», — выражает надежду профессор Родерих Месснер.
Четан Наяк полагает, что кристаллы времени проливают свет на саму природу времени. Как бы ни пыталась физика относиться ко времени как к одному из измерений, оно всегда было в стороне от остальных. Эйнштейн сплел трехмерное пространство со временем в четырехмерную ткань. «Но даже в его теории однонаправленное время — уникально. Кристаллы времени — это первый случай из известных мне, когда время оказывается одним из членов четверки».
Впрочем, с этим согласны не все, и дискуссия в научном сообществе продолжится как до публикации препринта в рецензируемом журнале, так и после.
Возможно, создание кристаллов времени позволит ускорить прорыв в создании квантовых компьютеров от точки «никогда» до «возможно в течение нескольких десятилетий». Некоторые ученые высказывают надежду, что на их основе можно будет производить запоминающие устройства для квантовых компьютеров.
Нам же остается сетовать, что мы родились слишком поздно для исследования Земли, слишком рано для познания космоса, но как раз вовремя для мемов.
Специалисты компании Google заявили, что им удалось создать внутри квантового компьютера кристалл времени. Соответствующий препринт был опубликован на страницах тематического портала arXiv.
Один из авторов статьи отметил, что в квантовом компьютере, построенном Google, была создана уникальная фаза материи, называемая временным кристаллом, который теоретически может переключаться между двумя состояниями навсегда без каких-либо затрат энергии. Формально подобное явление нарушает основы второго закона термодинамики.
Криостат, используемый для хранения квантовых процессоров Google.
Временной кристалл — это гипотетическая система, чьи характеристики периодически изменяются во времени даже в том случае, если она находится в основном энергетическом состоянии. Такое название было дано с оглядкой на привычные кристаллы, в которых периодичность имеет место в одном или нескольких пространственных направлениях, а сами кристаллы образуются тогда, когда температура среды понижается.
Впервые о временных кристаллах заговорили еще в 2012 году, но в 2014 концепцию развенчали японские исследователи. Спустя год команда экспертов из Великобритании и США в научной статье перечислила методы создания таковых. Попытки добиться реального результата себя не оправдывали, на фоне чего было решено обратиться к Google. Все произошло из-за наличия у компании квантового компьютера, где кубиты состоят из алюминиевых сверхпроводящих полос.
В ходе работы физики задействовали микросхему с двумя десятками кубитов, именно она выступала «кристаллом времени». Ученые сделали так, чтобы система переключалась с одного состояния на другое.
Это открытие имеет очень важное значение для науки, хоть полный потенциал этой формы материи пока непонятен до конца, уже сейчас учёные предполагают, что кристаллы времени можно использовать для сверхточных часов и гироскопов. Также с их помощью можно будет решить проблему декогеренции — «утечки» квантовой информации в окружающую среду, которая сейчас не даёт создать полноценные работающие квантовые процессоры и память.
Специалисты Google совместно с коллегами из NASA с помощью квантового компьютера создали новый вид материи – кристаллы времени. Компания опубликовала предварительную версию научной статьи и, если ее достоверность подтвердит независимая оценка, это будет значить, что в мире произошло очень важное открытие.
О чем собственно речь? Кристаллы времени как концепция появилась меньше десяти лет назад. Ученые сошлись во мнении, что такие кристаллы могут бесконечно менять свою структуру, не тратя при этом свою энергию, то есть, по сути, нарушая второе начало термодинамики.
Если объяснять на простом примере – качающийся маятник рано или поздно остановится, а кристаллы времени — нет. Получить их удалось лишь пять лет назад из кольца ионов иттербия, охлажденных почти до абсолютного нуля. В Google утверждают, что им удалось сделать то же самое с помощью квантового компьютера Sycamore, того самого, который ранее достиг квантового превосходства, то есть превзошел в скорости самый быстрый в мире компьютер, пусть и на специфической задаче. И тут дело в том, что исключительные свойства материи, будто бы нарушающие законы физики, проявляются обычно при температурах близких к абсолютному нулю.
В таких условиях некоторые материалы получают способность к сверхпроводимости и возможность находиться сразу в нескольких состояниях. Это как раз относится и к кубитам, из которых состоит квантовый компьютер: они одновременно находятся в состоянии нуля и единицы. Так вот, в работе специалисты описали создание установки, в которой кристалл времени находится в кольце из сверхпроводящих кубитов. Это получилось в том числе и за счет того, что сам квантовый компьютер находится в криостате, где температура близка к абсолютному нулю.
Впрочем, эксперимент американской корпорации не уникален. Месяц назад похожее исследование опубликовали специалисты Делфтского технического университета из Нидерландов. Но в Google утверждают, что их кристаллы времени могут существовать намного дольше за счет того, что их суперкомпьютер больше и мощнее. И если предположение исследователей справедливо, можно добиться практически вечной работы кристалла времени.
Для чего его использовать — пока не совсем ясно, но ученые предполагают, что как раз такая материя пригодится для совершенствования квантовых компьютеров. Сейчас приходится бороться с тем, что кубиты могут произвольно менять свое состояние. Если их удастся стабилизировать или сделать хотя бы так, чтобы они колебались в известных заранее пределах, это уже будет прорывом, пишут ученые.
В конце июля компания Google объявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи - так называемый кристалл времени (или темпоральный кристалл), само существование которого, кажется, бросает вызов известным нам фундаментальным законам физики.
Научная статья, написанная при участии исследователей из Стэнфорда, Принстона и других ведущих американских университетов и подробно описывающая технологию создания кристалла, осенью должна быть опубликована в журнале Nature - после того как пройдет положенную проверку научным сообществом.
Авторы работы (а в черновике публикации перечислено больше сотни имен) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие подтвердится, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.
Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров - настолько быстрых и мощных, что они смогут за считанные минуты решать задачи, на которые у современных процессоров ушли бы тысячелетия. Собственно, и создан кристалл времени был внутри самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера, Google Sycamore.
Эксперты называют это открытие настолько революционным, что "в полной мере осознать его важность мы пока еще даже не в состоянии".
Так что такое кристалл времени?
Всем известны три основные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они существенно отличаются физическими свойствами, но могут переходить одно в другое при необходимых условиях - давлении и температуре.
Однако этими тремя Вселенная не ограничивается. Ученым известны и другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла нам заменить громоздкие телевизоры на мониторы с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в основном в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всего привычного нам вещества.
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Подкаст
За последние сто лет в лабораторных условиях удалось получить сверхтекучие квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденное вещество, бозе-эйнштейновский конденсат и другие.
Темпоральный кристалл - одно из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое кристалл обычный - будь то драгоценный алмаз или простой лед.
В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл - твердое тело. Его атомы (или молекулы) связаны между собой и расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, как углы клеток на шахматной доске. Впрочем, клетки плоские, а кристалл объемный - так что его структура напоминает скорее кубик Рубика.
Автор фото, Getty Images
Трехмерная структура, в которой атомы располагаются на одинаковом удалении друг от друга, называется кристаллической решеткой
В жидком и газообразном состоянии вещество со всех сторон выглядит одинаково. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. поэтому ученые говорят, что в кристаллах пространственная симметрия нарушена.
Однако теория относительности утверждает, что, помимо трехмерного пространства, у Вселенной есть и четвертое измерение - время. Поэтому в 2012 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться точно так же - в повторяющейся последовательности, на одинаковом удалении друг от друга - но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в изначальное положение.
Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом кверху. Потом эту коробку хорошенько потрясли, открыли - и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перевернулись одинаково: теперь все до единой лежат кверху решкой.
Потрясли еще раз - снова везде орел; еще - опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась изначально - и возвращается к нему вновь и вновь, после каждого четного изменения. А после каждого нечетного - меняет это состояние на противоположное.
Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а его результат повторяется через раз, ученые говорят, что в данном случае нарушена симметрия времени. Именно это - определяющее свойство темпоральных кристаллов.
Монеты в данном случае - это элементарные частицы, из которых состоит кристалл (как шарики на картинке выше). Орел и решка - их квантовые состояния, а "потряхивание коробки" - любое периодически повторяющееся воздействие (например, облучение кристалла лазером). Вильчек рассчитал, возможно ли такое в теории - и математические формулы сошлись, подтверждая его правоту.
Автор фото, Getty Images
Нобелевскую премию по физике Вильчек получил в 2004 году
И хотя через несколько лет в опубликованных расчетах нобелевского лауреата были обнаружены неточности, эксперименты по созданию кристаллов времени продолжились - и, кажется, увенчались успехом.
Почему открытие кристалла времени называют революцией в науке?
Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики - во всяком случае так кажется на первый взгляд.
Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не затрачивая при этом энергии (энергия лазера кристаллу не передается, выступая своеобразным "физическим катализатором") - а это подозрительно напоминает вечный двигатель, существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке. Парижская академия наук перестала принимать и рассматривать проекты вечного двигателя в 1775 году - "ввиду очевидной невозможности его создания".
Возвращаясь к аналогии чуть выше, монеты в коробке переворачиваются не произвольно, случайным образом, а упорядоченно, все вместе - как если бы между ними была какая-то необъяснимая связь, - хотя весь наш опыт подсказывает, что в жизни так не бывает.
Всем известно, что разбить любой предмет куда проще, чем собрать его из нескольких частей. Смешать белок и желток - дело нескольких секунд, а вот разделить их после этого практически невозможно. Эти примеры наглядно демонстрируют нам действие Второго закона термодинамики, который гласит, что с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, стремится от порядка хаосу. То есть к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое состояние физики еще называют "тепловая смерть".
Отпущенный маятник не может колебаться бесконечно: во время движения он затрачивает энергию, поэтому рано или поздно колебания затухают. А энергия темпорального кристалла остается неизменной без всякой подпитки извне, поэтому в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое (и возвращаться обратно) бесконечно.
Сообщество Макса Планка называет эти кадры "первой в мире видеозаписью пространственно-временного кристалла"
Правда, инженер Google и ведущий автор работы Сяо Ми говорит Русской службе Би-би, что эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристал не годится.
"Хотя кристал действительно демонстрирует "вечное движение", это движение не производит энергии", - объясняет он.
"На самом деле свидетельство вечного движения в квантовых системах нам уже встречалось, - продолжает физик. - Например, в сверхпроводниках, по которым электроны путешествуют, не встречая никакого сопротивления. Или в сверхтекучих жидкостях, где, так же без всякого сопротивления, перемещаются атомы гелия. Хотя ни там ни там пространственная симметрия не нарушена - а значит, под определение темпоральных кристаллов они не попадают".
Что же касается теории относительности, где время и пространство покоятся на одном фундаменте, то в этой системе координат действительно может показаться, что, раз уж обычные кристаллы (то есть любые твердые тела в целом) нарушают пространственную симметрию, то со всей очевидностью должна нарушаться и симметрия относительно сдвига во времени,
"Несколько лет теоретических исследований ушло на то, чтобы понять: "тепловой смерти" можно избежать - путем так называемой многочастичной локализации (MBL), за счет которой нарастание энтропии в каждой части системы замедляется", - говорит Сяо Ми.
Зачем все это нужно?
Теоретическая физика не относится к прикладным наукам - а значит, в ближайшее время невероятному открытию вряд ли найдется достойное применение на практике.
Поскольку темпоральные кристаллы оказались невероятно устойчивыми к электромагнитному шуму (то есть любым воздействиям извне системы), им с большой вероятностью найдется применение при создании сверхточных часов и гироскопов.
Еще одна популярная версия состоит в том, что обнаружение столь уникальной формы материи приближает ученых к созданию запоминающих устройств для квантовых суперкомпьютеров.
Однако пока любые версии применения темпоральных кристалов на практике - не более чем предположения. Даже сами создатели кристалла не могут убедительно ответить на вопрос, где технология найдет свое практическое применение, и не исключают, что на это уйдут десятилетия.
Однако, по словам Сяо Ми, с точки зрения науки не это главное.
"Кристаллы времени - явление настолько удивительное, что заслуживает изучения само по себе, безо всякой практической цели, - уверяет он. - Нам ведь так мало известно о состояниях, в которых вещество может выходить за пределы температурного равновесия".
В августе 2021 года компания Google объявила о создании некоего объекта, который способен менять свое состояние не затрачивая при этом никакой энергии. Изобретение получило название Кристалл времени. Многообещающая разработка, по словам создателей, способно изменить мир и все представления о физике.
Кристалл времени – что это
В 2012-ом американский ученый в области физики Фрэнк Вильчек выдвинул теорию по поводу кристаллов времени. Их идея была создана по аналогии с привычными «пространственными» кристаллами. К таковым относится соль, алмазы, лед и прочие привычные многим вещи. Структура таких элементов периодически находит пространственное повторение в виде групп из молекул и атомов.
Вильчеком была выдвинута теория того, что можно создать материю такой формы, где структура повторяется во времени, а не в пространстве. В качестве весьма грубого примера ученый привел пружину, которая растягивается и сжимается под весом груза. Так ее «рисунок» периодически повторяется во времени.
Недостаток данного примера заключается в том, что на колебания пружины тратится энергия. Чтобы движение продолжалось на нее необходимо постоянно воздействовать. В этом и есть основное различие между всеми привычными структурами и кристаллами времени. Вторым для изменения физических свойств не нужна энергия. Поэтому они могут бесконечно «колебаться». Такой особенностью не наделены даже квантовые поля, которые берут энергию в займы у вакуума.
Нарушение второго закона термодинамики
Кристаллы «пространственного» типа состоят из почти неподвижных частиц с минимальным запасом энергии. Если воздействовать на структуру энергией, она рано или поздно разрушится. Из-за этого во время нагревания плавится лед и металл.
Кристалл времени в свою очередь способен изменять свою физическую форму без стороннего воздействия. Можно представить, что на снежинке состоящей из 4-х лучиков, внезапно образуется еще 2, а затем они вовсе исчезнут. Для этого кристаллу времени не нужна энергия и обмен с окружающим миром. Именно поэтому такое явление полностью противоречит второму закону термодинамики.
К тому же кристалл времени способен игнорировать энергетические потоки извне. Он может полностью не воспринять силу или принять ее частично. Представьте, что это желе, что вздрагивает не от каждого прикосновения, а один 1 раз из 5. Такие удивительные свойства насторожили ученых со всего мира. Поэтому они стали активно опровергать теорию и отрицать возможность создания подобного тела.
Первые кристаллы времени
Первый кристалл времени был создан в 2016-ом. Он представлял собой кольцо, состоящее из ионов иттербия, которые охладили до температуры абсолютного нуля. По нему в произвольный период проходила «волна», при том, что предмет не подвергался стороннему воздействию.
Годом спустя двум независимым научным группам также удалось создать подобные изобретения. Однако, они едва ли соответствовали всем требованиям, которые были заявлены в теории.
Летом 2021 году компания Google рассказала о создании первого в мире рабочего кристалла времени. Он расположен внутри их квантового суперкомпьютера. При этом ученые отметили, что им удается контролировать изменения, которые происходят с элементом.
Как такое возможно?
Многие физики утверждают, что кристаллы времени все же соответствуют законам термодинамики и для создания вечного двигателя они не пригодны. Однако, если учесть тот факт, что еще несколько лет назад сама идея существования подобного явления отрицалась, а уже в 2021 году ученым удалось это опровергнуть, можно предположить, что вскоре привычные нам законы физики будут пересмотрены.
Представители Google утверждают, что изобретение решит проблему декогеренции (утери квантовой информации). Именно это явление не позволяет создать работающие на полную мощность квантовые процессоры и карты памяти.
Читайте также: