Кристали часу-не наукова фантастика, а прорив в квантових комп’ютерах

24

Дослідники з компанії google, стенфордського, прінстонського і декількох інших університетів, отримали кристал часу в наномасштабі. Він здатний підживлювати енергією найпотужніші квантові суперкомп’ютери. Що цікаво: при його створенні також використовувалися квантові комп’ютери, зокрема, 53-кубітний sycamore.

процесор квантового комп’ютера sycamore, всередині якого вчені створили кристал часу, задіявши для цього 20 з наявних в ньому 53-х кубітів. Зображення: eric lucero / google

У статті, опублікованій на платформі для обміну науковими даними arxiv.org, описується кристал часу, створений з 20 кубітів – одиниць інформації в квантовому комп’ютері. До масиву кубітів були застосовані алгоритми, які змушували їх обертатися в двох напрямках: зверху вниз і знизу вгору. Це дозволило створити керовану реакцію, яка, на думку дослідників, може тривати нескінченно.

З точки зору науки, кристали часу, також звані темпоральними або тимчасовими кристалами, – досить незвичайне явище. Вони складаються з атомів, розташованих в просторі в повторюваному порядку. Така структура дозволяє кристалам з часом змінювати форму, не перегріваючись і не втрачаючи енергію. Ці дві властивості можуть знайти застосування в роботі квантових комп’ютерів, кубіти в яких легко розпадаються при будь-якому зовнішньому впливі або збільшенні температури.

Концепція кристалів часу складна для розуміння, але по суті це вічний двигун, що спростовує другий закон термодинаміки, згідно з яким будь-яка замкнута система прагне до ентропії, тобто до саморуйнування і повернення до хаосу. Також існування кристалів часу суперечить першому закону механіки ньютона, за яким тіло утримується в стані спокою або руху, поки до нього не будуть прикладені сили.

Нарешті, темпоральні кристали порушують так звану симетрію переміщення в часі: ідею про те, що стабільний об’єкт, такий як тверді тіла, рідини, гази і плазма, буде залишатися незмінним у часі.

частина системи охолодження квантового комп’ютера sycamore. У майбутньому проблему підтримки низької температури можна буде частково вирішити за допомогою темпоральних кристалів. Зображення: google

Концепцію кристалів часу запропонував у 2012 році фізик френк вільчек, який задався питанням, чи можна розташувати атоми в часі в тому ж порядку, в якому вони розміщені в просторі, наприклад, в кристалах. Він припустив, що така термодинамічно нерівноважна система, що складається з атомів, може здійснювати повторювані обертання, коливання або навіть переміщення без втрати енергії. Надалі в число гіпотетичних кристалів часу були включені системи, здатні активуватися від зовнішнього впливу, наприклад, струшування, перемішування або впливу лазером.

У 2017 році в гарвардському та мерілендському університетах були створені тимчасові кристали в мікромасштабі при низьких температурах. У 2021 році вчені з делфтського технічного університету опублікували результати експерименту зі створення кристала часу всередині алмазу.

Темпоральний кристал, створений за допомогою квантового комп’ютера sycamore, функціонував кілька мілісекунд, але це вже вельми багатообіцяючий результат. Передбачається, що в подальшому такі кристали зможуть працювати набагато довше і збережуть свої властивості протягом тисяч і навіть мільйонів циклів рухів.

На думку дослідників, це новий щабель у розвитку квантових комп’ютерів, так як за допомогою кристалів часу можна буде вирішити питання постачання квантових систем практично нескінченною енергією без підвищення температури і руйнування кубітів.