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 "мы пока еще даже не в состоянии полностью осознать его важность".

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.

За последние сто лет в лабораторных условиях удалось получить сверхтекучие квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденное вещество, бозе-эйнштейновский конденсат и т.д.

Темпоральный кристалл - одно из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое обычный кристалл - 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.


Трехмерная структура, в которой атомы располагаются на одинаковом удалении друг от друга,
называется кристаллической решеткой

В жидком и газообразном состоянии вещество выглядит одинаково со всех сторон. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. поэтому ученые говорят, что в кристаллах нарушена симметрия пространства.

Однако теория относительности утверждает, что у Вселенной есть еще и четвертое измерение - время. Поэтому в 2012 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут точно так же располагаться 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.


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".

Если вернуться 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.

Второй закон термодинамики 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 системы физики называют "тепловая смерть". Именно поэтому все планеты имеют круглую форму, разбить любой предмет куда проще, чем собрать его из нескольких частей.

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.

Правда, инженер Google и ведущий автора 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 свидетельства 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 симметрии 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 ближашее 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 популяная 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".

https://www.bbc.com/russian/features-58236421