Криостат для хранения квантовых процессоров Google

Группа исследователей из Стэнфорда, Принстона и других университетов, которые сотрудничают с лабораторией квантовых вычислений Google, объявила о создании первого кристалла времени на квантовом процессоре. Научная работа опубликована 28 июля 2021 года в онлайне (arXiv:2107.13571v1).

Кристалл времени (темпоральный кристалл) — особый вид фазового состояния материи, при котором периодически меняется его структура без выделения или поглощения энергии, что формально нарушает второй закон термодинамики.

Исследователи утверждают, что они впервые экспериментально продемонстрировали кристалл времени, в отличие от прошлых попыток в этой области. На самом деле ранее многие исследователи заявляли о создании или наблюдении кристалла времени, включая группу учёных, которые поделились аналогичным исследованием месяц назад, но ни одно из них до сих пор не проверено. Первая статья о выращивании кристалла времени была опубликована 27 сентября 2016 года на arXiv.org, а через полгода прошла рецензирование в журнале Nature.

«Есть все основания полагать, что ни один из этих экспериментов не увенчался полным успехом, и квантовый компьютер поможет сделать это намного лучше, чем те ранние эксперименты», — прокомментировал нынешнее открытие физик Джон Чалкер из Оксфордского университета, который не принимал участия в исследовании. Новая демонстрация кристалла времени знаменует собой один из первых случаев, когда квантовый компьютер Google выполнил полезную работу.


Наблюдение дискретного временного кристалла, локализованного во многих пространственных формах. Из научной статьи

Кристалл времени расширяет определение того, что такое фазовое состояние. Все другие известные фазы находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы переходят в состояние с наименьшей энергией, допустимой при температуре окружающей среды, и их свойства не меняются со временем. Кристалл времени — первая «неравновесная» фаза: она обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбуждённом и эволюционирующем состоянии, пишет Quanta.

Кроме второго закона термодинамики, кристалл времени нарушает симметрию обращения времени или Т-симметрию — это математическое преобразование в физике, при котором обращается знак переменной времени t. Гипотеза состоит в том, что законы физики не изменяются в ходе такого обращения, то есть остаются неизменными в прошлом и будущем. Все массы и заряды, а также остальные константы, не связанные со слабым взаимодействием, тоже обладают симметрией при обращении времени. Но кристалл времени испытывает периодическое движение, возвращаясь к своей начальной конфигурации через регулярные промежутки времени.

В статье 1982 года физик Ричард Фейнман предположил, что квантовые компьютеры могут быть использованы для моделирования частиц любой мыслимой квантовой системы. Кристалл времени является примером такого видения. Это квантовый объект, который сама природа, вероятно, никогда не создаст, учитывая сложное сочетание ингредиентов. Такое состояние вещества родилось исключительно в воображении физиков, а именно у лауреата Нобелевской премии физик Фрэнка Вильчека в 2012 году.

Поскольку обычные кристаллы нарушают пространственную симметрию природы, Вильчек предположил, что они могут нарушать также и симметрию времени. Уравнения показали, что такое возможно, а сейчас идея близка к практическому подтверждению.


Если новое исследование выдержит проверку экспертов и кому-то удастся использовать кристаллы времени на практике, то квантовые компьютеры докажут свою практическую пользу. По мнению учёных, нарушение второго закона термодинамики может иметь глубокие последствия для мира квантовых вычислений: «Такое стабильное состояние необычно, а необычные вещи становятся полезными», — говорит Родерих Месснер, директор Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене и соавтор научной работы.