Кристалл времени был создан в квантовом процессоре Google

Кристаллы времени звучат так, как будто это что-то фантастическое, но эта причудливая фаза материи очень реальна — и теперь один из них был создан в квантовом процессоре Google Sycamore.

Обычные кристаллы характеризуются высокоупорядоченной структурой атомов в повторяющемся узоре. Но если атомы повторяются в пространстве, могут ли существовать другие кристаллы с узором, повторяющимся во времени? И как это может выглядеть? В 2012 году лауреат Нобелевской премии Франк Вильчек предположил, что эти так называемые временные кристаллы могут существовать, и к 2016 году они были экспериментально созданы в лаборатории.

В кристалле времени атомы демонстрируют движение по схеме, которая периодически повторяется — так, например, их спины переворачиваются вверх и вниз в предсказуемом «тикающем» движении. Но что странно, так это то, что этот ритм не соответствует частоте силы, которая его запустила, и в идеальной системе атомы будут продолжать тикать бесконечно без каких-либо дополнительных действий.

Аналогия здесь — странная миска с желатином. Обычно, если вы нажимаете на материал, вы ожидаете, что он будет покачиваться в течение нескольких секунд, а затем остановится, пока вы не нажмете на него снова. Чего вы не ожидаете, так это того, что он проведет вечность, попеременно покачиваясь всего после двух нажатий — но именно это и делает кристалл времени.

Это может показаться парадоксом, который слишком близок к вечному двигателю, но кристаллы времени технически не нарушают законы термодинамики. Энергия сохраняется в системе в целом, а энтропия (мера беспорядка) не уменьшается, а остается постоянной.

Теперь исследователи продемонстрировали кристалл времени в квантовом процессоре Google Sycamore. Они обработали решетку из 20 кубитов — квантовых битов информации — с помощью лазера, чтобы запустить «тиканье».

Тогда кубиты будут переворачивать свои спины только один раз на каждые два лазерных импульса, нарушая симметрию трансляции и создавая кристалл времени. Важно отметить, что, по словам исследователей, это был первый кристалл, демонстрирующий «локализацию множества тел», феномен, который сохраняет их стабильность.

В этом конкретном эксперименте ученые смогли наблюдать за системой только в течение нескольких сотен циклов, но они говорят, что смогли подтвердить долгосрочную стабильность временных кристаллов, используя моделирование, выполняемое самим квантовым компьютером.

“Нам удалось использовать универсальность квантового компьютера, чтобы помочь нам проанализировать его собственные ограничения”, — говорит Родрих Месснер, соавтор исследования. “По сути, он рассказал нам, как исправить свои собственные ошибки, чтобы отпечаток идеального поведения кристаллов во времени можно было определить из наблюдений за конечным временем”.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.