Google создала темпоральный кристалл, который перевернет наши представления о законах физики

Научная статья, которая была написана учеными из Стэнфорда, Принстона и других ведущих университетов США и подробно описывает технологию создания кристалла, этой осенью должна появиться в журнале Nature – сразу после того как пройдет проверку.

Авторы исследования (в черновике публикации перечислено более 100 имен) и сами не до конца уверены в том, что эксперимент действительно оказался удачным. Однако, если открытие подтвердится, то Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.

Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров – таких быстрых и мощных, что они смогут за несколько минут решать задачи, на которые у современных процессоров ушли бы тысячелетия. Собственно говоря, кристалл времени был создан внутри самого мощного на данный момент квантового компьютера. Речь идет о Google Sycamore.

Что такое кристалл времени?

Все знают три основных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они отличаются своими физическими свойствами, однако могут переходить одно в другое при необходимых условиях – давлении и температуре.

При этом тремя состояниями наша Вселенная не ограничивается. Ученым уже известны другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла людям заменить огромные телевизоры мониторами с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всего привычного.

За последний век в лабораторных условиях специалисты смогли получить сверхтекучие квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденное вещество, бозе-эйнштейновский конденсат и другие.

Темпоральный кристалл является одним из таких экзотических состояний. Чтобы понять его природу, сначала нужно вспомнить, что такое обычный кристалл – независимо от того, драгоценный это алмаз или простой лед.

В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл – это твердое тело. Его атомы связаны между собой и находятся в повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга.

В жидком и газообразном состоянии вещество выглядит одинаково со всех сторон. Физики называют это явление пространственной симметрией. При этом внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения, получается, что в кристаллах нарушена пространственная симметрия.

Но если следовать теории относительности, то она утверждает, что кроме трехмерного пространства, у нашей Вселенной есть 4-е измерение – время. Поэтому в 2012 году лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться в повторяющейся последовательности, на одинаковом удалении друг от друга, однако не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в изначальное положение.

Повторяющееся действие одно и то же, а его результат повторяется через раз, поэтому ученые говорят, что в этом случае нарушена симметрия времени, что как раз является определяющим свойством темпоральных кристаллов.

Почему кристалл времени стал революцией в науке?

Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики, по крайней мере, так кажется на первый взгляд.

Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не затрачивая при этом энергии, что напоминает вечный двигатель, существование которого было признано невозможным.

Все знают, что разбить что-либо гораздо проще, чем собрать из нескольких частей. Смешать белок и желток – дело пары секунд, а вот разделить их после этого почти невозможно. Такие примеры наглядно показывают действие Второго закона термодинамики – с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, стремится от порядка к хаосу. Такое состояние физики часто называют «тепловая смерть».

Отпущенный маятник не будет колебаться бесконечно: во время движения он затрачивает энергию, то есть со временем колебания все равно затухнут. При этом энергия темпорального кристалла остается неизменной, то есть в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое все время, без остановки.

Однако инженер из Google и ведущий автора работы Сяо Ми рассказал, что данные противоречия иллюзорны. Темпоральный кристал не годится на роль вечного двигателя. При этом он на самом деле показывает «вечное движение», но оно не производит энергии.

Что касается теории относительности, где время и пространство покоятся на одном фундаменте, то в этой системе координат может показаться, что обычные кристаллы нарушают пространственную симметрию, а значит, должна нарушаться симметрия относительно сдвига во времени.

Сяо Ми подчеркнул, что пару лет теоретических исследований понадобилось на то, чтобы понять, что «тепловой смерти» можно избежать путем многочастичной локализации.

Зачем это все нужно?

Нужно понимать, что теоретическая физика не относится к прикладным наукам, следовательно, в ближайшее время этому открытию вряд ли найдется достойное применение на практике.

В связи с тем, что темпоральные кристаллы устойчивы к электромагнитному шуму, им должно найтись применение при создании сверхточных часов и гироскопов. Еще одна версия заключается в том, что обнаружение такой уникальной формы материи приближает научное сообщество к созданию запоминающих устройств, которые можно будет использовать в квантовых суперкомпьютерах.

Однако сейчас любые версии применения темпоральных кристалов на практике – лишь предположения. Даже сами создатели кристалла не могут со 100-процентной точностью ответить на вопрос, где их технология найдет применение, и не исключают, что на это потребуются десятки лет.

Ранее стало известно, что российские ученые занимаются разработкой «капсулы времени» с использованием технологии блокчейн для передачи цифровой информации наследникам. Проект собираются представить на интенсивных курсах «Архипелаг 2121» в Великом Новгороде.