Кристаллы времени — не научная фантастика, а прорыв в квантовых компьютерах

Исследователи из компании Google, Стэнфордского, Принстонского и нескольких других университетов, получили кристалл времени в наномасштабе. Он способен подпитывать энергией самые мощные квантовые суперкомпьютеры. Что интересно: при его создании также использовались квантовые компьютеры, в частности, 53-кубитный Sycamore.

В статье, опубликованной на платформе для обмена научными данными Arxiv.org, описывается кристалл времени, созданный из 20 кубитов – единиц информации в квантовом компьютере. К массиву кубитов были применены алгоритмы, которые заставляли их вращаться в двух направлениях: сверху вниз и снизу вверх. Это позволило создать управляемую реакцию, которая, по словам исследователей, может длиться бесконечно.

С точки зрения науки, кристаллы времени, также называемые темпоральными или временными кристаллами, – довольно необычное явление. Они состоят из атомов, расположенных в пространстве в повторяющемся порядке. Такая структура позволяет кристаллам со временем менять форму, не перегреваясь и не теряя энергию. Эти два свойства могут найти применение в работе квантовых компьютеров, кубиты в которых легко распадаются при любом внешнем воздействии или увеличении температуры.

Концепция кристаллов времени сложна для понимания, но по сути это вечный двигатель, опровергающий второй закон термодинамики, согласно которому любая замкнутая система стремится к энтропии, то есть к саморазрушению и возвращению к хаосу. Также существование кристаллов времени противоречит первому закону механики Ньютона, по которому тело удерживается в состоянии покоя или движения, пока к нему не будут приложены силы.

Наконец, темпоральные кристаллы нарушают так называемую симметрию перемещения во времени: идею о том, что стабильный объект, такой как твердые тела, жидкости, газы и плазма, будет оставаться неизменным во времени.

Концепцию кристаллов времени предложил в 2012 году физик Фрэнк Вильчек, который задался вопросом, можно ли расположить атомы во времени в том же порядке, в каком они размещены в пространстве, например, в кристаллах. Он предположил, что такая термодинамически неравновесная система, состоящая из атомов, может совершать повторяющиеся вращения, колебания или даже перемещения без потери энергии. В дальнейшем в число гипотетических кристаллов времени были включены системы, способные активироваться от внешнего влияния, например, встряхивания, перемешивания или воздействия лазером.

В 2017 году в Гарвардском и Мэрилендском университетах были созданы временные кристаллы в микромасштабе при низких температурах. В 2021 году ученые из Делфтского технического университета опубликовали результаты эксперимента по созданию кристалла времени внутри алмаза.

Темпоральный кристалл, созданный при помощи квантового компьютера Sycamore, функционировал несколько миллисекунд, но это уже весьма многообещающий результат. Предполагается, что в дальнейшем такие кристаллы смогут работать намного дольше и сохранят свои свойства в течение тысяч и даже миллионов циклов движений. 

По мнению исследователей, это новая ступень в развитии квантовых компьютеров, так как с помощью кристаллов времени можно будет решить вопрос снабжения квантовых систем практически бесконечной энергией без повышения температуры и разрушения кубитов.