Czy kryształy czasu istnieją?

Komputer kwantowy stworzył kryształ czasu. Co to właściwie znaczy?

Zgodnie z niedawno opublikowanymi wynikami badań, komputer kwantowy Google został wykorzystany do zbudowania tzw. kryształu czasu. Jest to osobliwa struktura, która na pozór wydaje się być niezgodna z prawami termodynamiki. To może być prawdziwy przełom w projektowaniu obliczeń kwantowych, ale wbrew nazwie, nie pozwoli nam na zbudowanie wehikułu czasu.

Idea kryształów czasu została zaproponowana w 2012 r. przez Franka Wilczka jako układów, które stale działają poza równowagą termodynamiczną. Kryształ czasu to teoretyczna struktura powtarzalna w czasie i przestrzeni. W przeciwieństwie do innych faz materii, kryształy czasu są stabilne, ale tworzące je atomy cały czas się zmieniają. Przynajmniej taka była teoria. Naukowcy nie byli zgodni co do tego, czy stworzenie kryształów czasu jest faktycznie możliwe.

Ale o co tak właściwie w tym chodzi? Dobre i klarowne wytłumaczenie można znaleźć w Quanta Magazine.

Czym są kryształy czasu?

Aby zrozumieć, czym są kryształy czasu, trzeba przypomnieć sobie budowę „zwykłych” kryształów. Powstają one wtedy, gdy w wyniku oddziaływań między atomami dochodzi do ich uporządkowania i zaczynają tworzyć one zorganizowane struktury przestrzenne (sieć krystaliczna). Można zatem stwierdzić, że kryształ przestrzenny to obiekt złożony z regularnie ułożonych atomów. Kryształ czasu to z kolei struktura, w której dochodzi do powtórzenia tego samego ułożenia, ale nie w przestrzeni, a w czasie.

Frank Wilczek to amerykański fizyk pochodzenia polsko-włoskiego, który w 2004 r. został uhonorowany Nagrodą Nobla za pracę dotyczącą asymptotycznej swobody w teorii silnych oddziaływań między cząstkami elementarnymi. Wilczek doszedł do wniosku, że prawa fizyki powinny pozwolić na istnienie kryształów czasu. Jego zdaniem, istnieją układy wielu ciał w najniższym stanie energetycznym, które w wyniku wzajemnego oddziaływania zaczynają poruszać się ruchem okresowym (powtarzającym się w regularnych odstępach czasu). Szybko wykluczono istnienie tak pojmowanych kryształów czasu, ale świat nauki zaczął się zastanawiać, czy w tej teorii coś może jednak być.

Podstawowy zarzut do idei Wilczka jest taki, że w przypadku układu wielu ciał w najniższym stanie energii, nie ma możliwości, by samoistnie wprawiły się one w ruch okresowy. W 2015 r. naukowcy z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ pod kierownictwem prof. Krzysztofa Sacha wykazali, że samoorganizacja w czasie występuje w układach, które są traktowane z regularnie działającą siłą. Dzieje się tak choćby wtedy, gdy dwie chmury ultrazimnych atomów odbijane są na zmianę przez drgające regularnie podłoże. W przypadku oddziaływań słabych, nie zaobserwujemy żadnego efektu, ale gdy oddziaływania są wystarczająco silne, tworzy się niezwykły stan kwantowy wielu ciał, który jest czuły na wszelkie zaburzenia. Wystarczy podziałać na jeden atom, a chmura zniknie, a pozostałe atomy będą poruszać się ruchem okresowym. Obserwujemy wtedy tzw. dyskretną samoorganizację w czasie i tym samym powstaje kryształ czasu.

W 2016 r. inne grupy naukowców potwierdziły tę samą obserwację – kryształy czasu można uzyskać w grupach atomów o skorelowanych spinach.

Czy udało się stworzyć kryształy czasu?

W nowym preprincie opracowanym przez naukowców z Google i fizyków z Uniwersytetu w Princeton oraz Uniwersytetu Stanforda, potwierdzono, że spontaniczne tworzenie kryształów czasu jest możliwe. Trzeba jednak pamiętać, że preprinty to wersje artykułów naukowych publikowane przed zrecenzowaniem ich i weryfikacją – ich ustalenia mogą zostać zakwestionowane, a nawet całkowicie odrzucone. Trzeba zatem pozostać ostrożnym w kwestii kryształów czasu.

Google Sycamore

Każdy kryształ czasu składa się z trzech podstawowych elementów. Podstawą jest rząd cząstek o własnej orientacji magnetycznej, które zostają wprowadzone do mieszaniny konfiguracji cząstek nisko- i wysokoenergetycznych. Utworzona struktura zachowuje tzw. lokalizację wielociałową (ang. many-body localization – MBL). Odwrócenie wszystkich orientacji tych cząstek – tworząc ich lustrzaną wersję – znane jest jako uporządkowanie stanów własnych (ang. eigenstate order). Aby przeprowadzić taką operację, stosuje się światło lasera. Dochodzi do cyklicznej zmiany stanów – od klasycznego do lustrzanego i z powrotem – bez wykorzystania energii netto samego lasera. Powstaje tzw. kryształ czasowy Floqueta, który uzyskano po raz pierwszy w 2016 roku.

Sycamore – komputer kwantowy Google – wykorzystał chip z 20 kubitami do osiągnięcia stanu lokalizacji wielociałowej. Zastosowano promieniowanie mikrofalowe do zmiany orientacji cząstek na lustrzaną, bez zmiany ich spinu. To zdaniem naukowców biorących udział w badaniach pokazało, że istnienie kryształów czasowych jest możliwe.

Konsekwencja jest niesamowita: omijamy drugie prawo termodynamiki.

Roderich Moessner, współautor badań i dyrektor Instytutu Fizyki Systemów Złożonych Maxa Plancka

Po co to wszystko?

Kryształy czasowe mogą pozwolić na rozwiązanie niektórych problemów z zakresu informatyki kwantowej. Mogą być one również izolatorami lub przewodnikami. Pozwolą także na budowę nowych symulatorów kwantowych, a także ultradokładnych zegarów. Kryształy czasu mogą stanowić prawdziwą trampolinę dla wielu odkryć, jeżeli faktycznie uda się nam je opanować. Czy naukowcom Google to się udało? Trzeba poczekać na zrecenzowanie opublikowanego preprintu.