На чтение: ≈ 8 мин.Американским исследователям впервые в мире удалось получить так называемый темпоральный кристалл на основе 20‑кубитового квантового компьютера Sycamore корпорации Google. Этим ученые в очередной раз доказали возможность существования физических структур, ранее предсказанных только теоретически, совершив прорыв в фундаментальной физике.
Идея существования временных, или темпоральных, кристаллов была предложена в 2012 году американским физиком-теоретиком Фрэнком Вильчеком, ранее, в 2004 году, ставшим лауреатом Нобелевской премии, которой он был удостоен за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами. Ученый предположил, что если внутренняя структура любых известных кристаллов обладает одной или несколькими осями симметрии, то могут существовать такие структуры, которые обладают симметрией и во времени: «Если мы думаем о кристаллах в пространстве, логично будет представить кристаллические структуры во времени».
В физике симметрия означает, что свойства объектов продолжают оставаться неизменными при определенной трансформации, скажем, при сдвиге или повороте в пространстве либо при отражении в зеркале. Физики давно научились создавать системы, аналогичные природным кристаллическим структурам, посредством лазеров или микроволн, где в качестве узлов решетки могут выступать не только атомы и электроны, как в естественных кристаллах, но также фотоны или квазичастицы. При этом воздействие магнитных полей или электрического тока может нарушать симметрию.
Вильчек же выдвинул гипотезу о существовании объектов, симметричные свойства которых могут периодически изменяться даже при низком уровне энергии, последовательно возвращаясь в прежнее состояние. То есть их структура повторяется во времени подобно тому, как «рисунок» решетки известных физических кристаллов, например алмазов или поваренной соли, повторяется в пространстве. Такие условные кристаллы получили название дискретных.
В качестве примера можно привести подвешенный на пружине груз. Если растянуть пружину и отпустить, придав ей таким образом энергию, то она начнет через определенные промежутки времени натягиваться и сжиматься. Но через какое-то время эти колебания затухнут.
Пространственные кристаллические структуры остаются стабильными, так как их энергия минимальна. Но если «закачать» туда энергию, то структура нарушится. Поэтому при нагреве лед тает, а металл расплавляется. А вот временному кристаллу не требуется энергия извне, чтобы менять свое состояние. Это противоречит законам термодинамики, по которым состояние материи не может меняться без затрат или притока энергии. Правда, в природе такие структуры обнаружены пока не были.
Заинтересовавшись гипотезой Вильчека, некоторые его коллеги пытались доказать или опровергнуть возможность существования дискретных кристаллов экспериментальным путем. Так, в 2015 году аспирант Калифорнийского университета в Беркли Харуки Ватанабе совместно с Масаки Ошикава из Университета Токио доказали, что создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно, а также подобные объекты не могут существовать ни в одной равновесной системе, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.
Однако в последующие годы ученые продолжали искать способ существования вожделенных кристаллов, подыскивая для них подходящие условия. К примеру, Шиваджи Сонди и его коллеги из Принстона, изучая поведение изолированной квантовой системы, состоящей из хаотического набора взаимодействующих между собой частиц, которая регулярно получала энергетическую подпитку, выяснили, что в определенных условиях частицы создают «групповой узор», который периодически повторяется во времени.
В свою очередь Кристофер Монро из Университета Мэриленда попытался создать темпоральный кристалл с помощью холодных атомов. В процессе эксперимента закольцованная цепочка из десяти ионов иттербия поочередно освещалась двумя лазерами. Первый из них менял магнитные свойства атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом. Результатом стали магнитные колебания, период которых был вдвое больше, чем при обычной лазерной подкачке.
Команда физиков из Гарвардского университета во главе с соучредителем Российского квантового центра Михаилом Лукиным решила сотворить темпоральный кристалл на основе алмаза. Для этого они синтезировали специальный образец, содержащий около миллиона беспорядочно расположенных дефектов, каждый из которых обладал своей магнитной направленностью. Когда на него воздействовали микроволновым излучением, отклик на импульс пришел на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.
Тем не менее научное сообщество решило, что итоги этих опытов нельзя считать однозначными, они еще не доказывают, что экспериментаторы получили именно дискретные кристаллы.
Недавно более 100 специалистов из десятка различных научных учреждений США, в том числе из Принстонского и Стэнфордского университетов, приняли участие в эксперименте с квантовой системой Google Sycamore. Их целью было превратить группу кубитов в один темпоральный кристалл. Для этого требовалось заставить ее в течение какого-то достаточно длительного периода оставаться стабильной и демонстрировать периодическое изменение фазовых состояний.
Таким образом удалось зафиксировать эффект временной симметрии для цепочек из 8, 12 и 16 кубитов. Поскольку он сохранялся во всех случаях, это позволяет сделать вывод о том, что впервые на физическом уровне был получен истинный дискретный временной кристалл.
А зачем, собственно, надо было убедиться в существовании таких кристаллов? Для создания вечного двигателя, как бы нам этого ни хотелось, такие системы не подойдут, так как они остаются неподвижными. Однако, по мнению исследователей, это может сделать стабильными квантовые вычисления, что позволит создавать сверхточные часы и гироскопы. Кроме того, не исключено, что с их помощью удастся решить проблему декогеренции – «утечки» квантовой информации в окружающую среду, из-за чего пока невозможно создание полноценно работающих квантовых процессоров и плат памяти.
Лада КОВАЛЕНКО
Выбор читателей
Комментарии