Запитайте Ітана: яка справжня наука стоїть за кристалом часу Google?

 

Фото: bigthink.com

Команда Google із квантових обчислень спочатку розробила та продемонструвала кристал дискретного часу на квантовому комп’ютері. За допомогою мікрохвильового імпульсу система може періодично повертатися до початкового квантового стану без теплового шуму чи ефектів декогерентності. Однак твердження про те, що він порушує термодинаміку, є потойбічним або назавжди змінює фізику, є явно неправдивими та невірним відображенням фактичного дослідження якості. Чи справді кристал часу — це потойбічна революція, яка використовує квантові обчислення, які назавжди змінять фізику?

Про це пише BIG.

Щоразу, коли з’являється нове відкриття, є спокуса уявити собі цілу низку революцій, які можуть статися незабаром. Зрештою, у будь-який момент, коли ви раптом можете виконати будь-яке завдання, яке раніше було непрактичним або навіть (вважалося) неможливим, це на одну перешкоду менше, що стоїть на шляху навіть ваших найвищих мрій про пиріг у небі. Однак, які б відкриття не відбувалися, фундаментальні закони фізики, що лежать в основі реальності, повинні завжди підкорятися; ви можете спонукати природу робити багато розумних речей, але ви не можете дуже добре порушувати правила, які керують нею. Якби ви могли, нам довелося б записати нові закони, бо старі вже не діяли б. Незважаючи на всі хитрощі, які ми розробили, ми не можемо створити фундаментальні магнітні монополі, порушити збереження імпульсу чи енергії або обійти другий закон термодинаміки.

Проте в нещодавній статті, в якій рекламується абсолютно нове відкриття, пов’язане з кристалами часу і квантовим комп’ютером Google, стверджується, що саме це: ухилення від другого закону термодинаміки. Це навіть правильно? Прихильник Patreon Чад Марлер хоче знати:

Привіт, Ітан… Я читав кілька заголовків і натрапив на цю статтю. Хоча я підозрюю, що інновація була реальна, деякі формулювання в статті змусили мій [дурниці] детектор спрацювати… це звучить як те, що ви почуєте на шоу Art Bell.

Наперед скажу, що наукова стаття є законною, але нещодавня стаття сповнена хибних уявлень і тлумачень. Давайте зануримося і дізнаємося, про що йдеться.

Що таке кристал часу?

На відміну від більшості речей у фізиці, де теоретики уявляють можливість, яка далека від нинішніх або найближчих технологій, кристали часу існують лише дуже короткий час, навіть у нашій свідомості. У 2012 році лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек припустив, що може існувати новий стан матерії: кристал часу. Більшість з нас знає, що таке нормальний кристал: повторювана жорстка решітка або сітка частинок, таких як атоми чи молекули, які утворюють тверду впорядковану структуру.

Однак, коли ми говоримо про кристали часу, тут немає ні решітки, ні сітки, ні твердої впорядкованої структури. Важливим компонентом кристала часу, принаймні концептуально, є «повторювана» частина. У той час як звичайний кристал має структуру, яка повторюється в просторі, тобто демонструє трансляційну симетрію (якщо ви рухаєтеся всередині кристала, структура виглядає однаково всюди), часовий кристал повинен періодично повторювати свою конфігурацію в часі.

Спочатку, коли вперше розглядали кристали часу, вони вважалися неможливими з ряду причин. Були опубліковані теореми, які довели їхню неможливість. Існували твердження, що система, яка перейшла від станів з нижчою енергією в стани з вищою енергією, не повернеться у вихідний стан знову спонтанно, а потім не буде переходити між цими двома станами, тому що це вказує на якийсь тип постійного руху, що порушує другий закон термодинаміки і збереження енергії.

Але теоретики не тільки знайшли лазівки в цих теоремах, але ще більш вражаюче те, що експериментатори просто пішли вперед і створили їх у лабораторії. У 2016 році Норман Яо і його команда розробили схему створення кристала часу за дуже розумним планом. Замість використання замкнутої постійної системи він запропонував використовувати систему з нерівноважними умовами. Потім він «керував» цією системою ззовні, роблячи її відкритою (а не закритою) системою і досягаючи дуже популярного стану «кристал часу».

Це трохи складно, але ви можете уявити, що у вас є купа атомів, які мають спін, і ці спіни мають напрямки: дипольні моменти. Ви можете «керувати» системою, піддаючи систему імпульсам спін-ехо, які містять недоліки, але які виникають періодично, дозволяючи взаємодіям випадковим чином відбуватися в проміжний час. Якщо ви змусите комбінації цих дипольних моментів спінів і імпульсів спін-ехо вести себе певним чином, ви можете отримати кристал часу.

Найважче, однак, уникати того, що зазвичай відбувається під час взаємодії з системою: якщо відбувається обмін енергією, ця енергія передається по всій системі всередині, викликаючи швидке нагрівання через взаємодію багатьох тіл. Якимось чином ви повинні:

керувати системою, зовні, за допомогою імпульсу обертання,

щоб ви отримували періодичну відповідь,

що пропорційно часу, коли ви імпульсуєте систему,

і через деякий час, кратний періоду, ви повертаєтеся до свого початкового стану,

тоді як «кристал часу»

тільки коливається в сторону, а потім повертається в початковий стан.

Тільки якщо ви періодично повертаєтеся до свого початкового стану без додаткового нагрівання і досягнете чистого стаціонарного стану, ви зможете створити кристал часу.

Як ви можете зробити це в реальному житті?

Робота Яо вперше з’явилася в серпні 2016 року, і за кілька місяців дві незалежні групи випробували її:

Михайла Лукіна в Гарвардському університеті і

Крістофер Монро в Університеті Меріленду.

Вони намагалися створити систему саме так, як того вимагав Яо, але, оскільки умови настільки загальні, вони вийшли на зовсім інші підходи.

Група Монро взяла серію атомів ітрію, які вишикувалися в одновимірну лінію, з’єднаних разом за допомогою електростатичних взаємодій. Коли вони піддали цю атомну лінію серії імпульсів спін-перевороту, вони виявили, що система повертатиметься до свого початкового стану кожні два повні періоди імпульсу. Тим часом група Лукіна взяла справжній кристал алмазу, який містив десь близько 1 000 000 спінових домішок у ньому, і пульсувала ці домішки всередині кристала за допомогою мікрохвильового випромінювання. Це випромінювання змінювало їхні оберти, але коливання кристала в часі спостерігалися лише кожні три повні періоди імпульсу, після чого кристал повертався до свого початкового квантового стану.

Це сталося для обох груп, що досить цікаво, навіть коли рушійні імпульси були недосконалими. Ви можете:

змінювати величину пульсу, роблячи його сильнішим або слабшим,

змінювати частоту пульсації, роблячи її трохи швидше або повільніше,

збільшити або зменшити кількість шумів та/або взаємодій, що виникли між імпульсами,

або змінити умови середовища, в якому розміщена система,

і все одно відновити цей час кристал поведінки. Дивно, але для цих нерівноважних систем є багато простору для вагань щодо того, що ви можете зробити і все ще спостерігати поведінку цього кристала часу.

Але, як їх спочатку уявляв Вільчек у 2012 році, ідеалізований кристал часу виникне в системі, яка перебуває в тепловій рівновазі, яка не поглинає і не випромінює енергію з навколишнього середовища або в навколишнє середовище. Щоб створити кристал часу, вам потрібна була відкрита система, яка могла б обмінюватися енергією із зовнішнім оточенням, і ця система повинна працювати з періодичною частотою. Більше того, недоліки в керуванні не можуть бути занадто великими, інакше кристал «розплавиться» саме так, як ми хочемо уникнути: безперервне нагрівання відбувається від взаємодії багатьох тіл.

Що насправді робила команда Google, використовуючи квантовий комп’ютер?

Коли ці кристали часу були вперше реалізовані в 2016/2017 роках, було визнано, що кристали часу можна було б застосувати до квантових комп’ютерів. Замість того, щоб кодувати біт, як «0» або «1», який кодує стандартний комп’ютер, квантовий комп’ютер кодує кубіт, який є зваженою ймовірністю суперпозицією «0» і «1» одночасно. Хоча ви можете виміряти лише «0» або «1» в кінці, той факт, що у вас є багато кубітів, дозволяє вам побачити, чи зберегли ви квантову поведінку системи (чи ні), чи є ваші результати безпомилковими. (чи ні), і який тип розподілу кінцевого стану ви отримуєте і чи відповідає він вашим теоретичним прогнозам.

Важкою «проблемою» квантового комп’ютера є проблема декогерентності: за відносно короткий проміжок часу система взаємодіє з оточуючими частинками, і це призводить до втрати квантової поведінки, яку ви намагаєтеся зберегти. Для квантового комп’ютера Google, який базується на надпровідних кубітах (на відміну від квантових точок або іонних пасток, наприклад), ви отримуєте часову шкалу когерентності близько 50 мікросекунд. Ви можете виконати лише кілька десятків обчислень, перш ніж декогеренція зруйнує ваш експеримент, і ви втратите квантову поведінку, яку намагалися підтримувати та вимірювати. (Або, точніше, перед тим, як виникне занадто багато помилок, включаючи помилки від простих перехресних перешкод між кубітами, просто перетворіть свій сигнал у шум.)

Замість використання динамічної фази, як-от спіни атомів, квантовий комп’ютер дозволяє використовувати іншу властивість: порядок власних станів у системах із багатьма тілами. Якби ви привели свої кубіти в положення рівноваги, ви б побачили, що в найнижчих енергетичних станах був порядок, а в невпорядкованих станах при більш високих. Ось чому за звичайних обставин, якщо ви дозволяєте занадто великій кількості енергії поширюватися по вашій системі, ви просто отримуєте безфункціональні, невпорядковані системи; це наче тепло чи енергія просто випадковим чином розподілили все.

Однак деякі системи можуть демонструвати те, що називається MBL: багатотіла локалізація, де ви отримуєте локальні закони збереження і лише дискретну кількість впорядкованих станів. Коли ви керуєте системою, що команда Google робила за допомогою імпульсних мікрохвиль, які змушують кубіти перевертатися, ваші кубіти можуть вести себе так само, як динамічні фази, коли ми вимірювали обертання атомів: якщо кубіти не поглинають тепло і не передають енергію до свого оточення, вони можуть просто переключатися між різними впорядкованими станами. Маючи достатню кількість імпульсів, ви, ймовірно, зможете відновити свій початковий стан.

Звичайно, кожні два повні періоди мікрохвильових імпульсів призводили до відновлення початкового стану: кристала часу. Більше не обмежені цими ефектами декогерентності, дослідники могли підтримувати цей часовий кристалічний стан до ~100 секунд, що є чудовим досягненням.

Незважаючи на те, що стаття чудово описує самі проведені експерименти, є ревучий твердження, зроблене на початку:

Завдяки здатності вічно переключатися між двома станами без втрати енергії, кристали часу ухиляються від одного з найважливіших законів фізики — другого закону термодинаміки, який стверджує, що безлад, або ентропія, ізольованої системи завжди має зростати. Ці химерні кристали часу залишаються стабільними, протистоячи будь-якому розчиненню до випадковості, незважаючи на те, що вони знаходяться в постійному стані потоку.

Немає ухилення; другий закон термодинаміки стосується закритих систем, а не відкритих. Розлад системи, якщо включити мікрохвильові імпульси та зовнішнє середовище, насправді підвищиться, як і передбачалося. Кристали коливаються між допустимими станами і повертаються до вихідних при правильному водінні, так само, як це робили їх некубітні аналоги роками раніше. Для цього дослідникам потрібно було розрізняти зовнішню декогеренцію та внутрішню термалізацію, обидва з яких можуть зруйнувати квантовий стан, який вони прагнуть підтримувати, що само по собі є чудовим досягненням.

Хоча може бути весело стверджувати, як і заголовок статті, що це «потойбіч» і «може змінити фізику назавжди», це більше схоже на уяву, що у вас є сковорода з молюсками різного розміру та форми та шеф-кухар, який похитує сковородою таким чином, що тварини з шкаралупою перевертаються. Деякі перевертаються на 180°, інші на 360°, інші на 540° тощо. У квантовому світі деякі з цих молюсків також можуть приймати проміжні значення. Але після певної кількості похитнувань всі молюски закінчуються так само, як і почали, незалежно від того, якою була ця конкретна початкова конфігурація. Це все, що робить команда Google, але замість молюсків або обертових атомів вони використовують власні стани квантового комп’ютера.

Що, якщо говорити відверто, все ще є чудовим досягненням! Це новий вид кристалів часу, новий спосіб його досягнення, який має потенціал для вивчення нерівноважних фаз матерії на квантовому комп’ютері. І хоча ви повинні закачувати енергію в систему імпульсами, кристал часу, по суті, може повернутися до будь-якого конкретного стану, з якого він почав, навіть з невеликими недоліками, що виникають у «переворотах», без руйнування, декогерентності або втрати природи квантового стану внаслідок теплової нестабільності. Жодні закони не порушуються, і відома нам фізика жодним чином не змінюється, але це, тим не менш, феноменальне досягнення. Всього за дев’ять років ми пройшли шлях від теорії існування кристалів часу до створення їх до спостереження за ними на квантовому процесорі. Коли нове поле дає значний прогрес так швидко, це змушує нас звернути увагу.