Квантовый компьютер Sycamore компании Google был использован учеными в качестве базы для создания так называемого пространственно-временного кристалла, представляющего собой новое состояние материи, нарушающее все основные законы традиционной термодинамики. К сожалению, данное достижение, несмотря на некоторые намеки в наименовании кристалла, еще не позволит специалистам компании Google построить в ближайшем времени ни машину времени, ни другие экзотические устройства, являющиеся сейчас лишь предметом научной фантастики.
Напомним нашим читателям, что теоретическое обоснование возможности существования пространственно-временных кристаллов было выдвинуто в 2012 году. Под данным термином подразумеваются системы, всегда находящиеся за пределами термодинамического равновесия. В отличие от других состояний, в которых материя находится в состоянии равновесия, пространственно-временные кристаллы сохраняют свою стабильность при условии того, что атомы, из которых они состоят, постоянно вращаются и перемещаются.
С момента обоснования возможности существования пространственно-временных кристаллов было проведено множество экспериментов и ученым удалось получить кристаллы различных видов. Однако, большинство из созданных образцов не соответствует полностью всем критериям, заключенным в определении пространственно-временных кристаллов. И лишь недавно исследователям компании Google, работавшими совместно с учеными из Стэнфорда и Принстона, удалось сделать то, что ранее считалось невозможным.
"В нашей работе был использован особый протокол аннулирования времени, который позволяет отличить внешнюю декогеренцию от внутренней термализации. Это позволяет нам усилить квантовую типизацию с целью экспоненциального увеличения значения плотности собственной спектральной выборки" - пишут исследователи, - "Кроме этого, мы можем точно определить значения точек фазовых переходов и произвести вычисления размеров получаемых кристаллов. Все это представляет собой масштабируемый подход, позволяющий исследовать неравновесные состояния материи при помощи существующих квантовых компьютеров".
Если сказанное в предыдущем абзаце попросту "взорвало ваш мозг", не отчаивайтесь, вы, вероятно, такой далеко не один. А мы попробуем объяснить все это несколько проще. Согласно определению, пространственно-временной кристалл состоит из трех основных компонентов. Во-первых, это ряд частиц, обладающих магнитной ориентацией, которые могут формировать несколько различных состояний системы, обладающих низкой и более высокой энергией. Это все называется термином "локализация множества тел" (many-body localization).
Синхронное изменение ориентации всех частиц локализации позволяет создать зеркальную версию структуры кристалла, которая является вторичным видом локализации множества тел.
Переключение состояния локализации от нормального к зеркальному, и наоборот, производится при помощи света лазера, но самым примечательным является то, что в этом процессе энергия лазерного света не используется для выполнения какой-либо полезной работы. И в результате получается нечто, называемое пространственно-временным кристаллом Флоке (Floquet time crystal), возможность существования которого была обоснована в 2016 году.
Для создания пространственно-временного кристалла было использовано 20 кубитов процессора квантового компьютера Sycamore, которые выступали в роли управляемых квантовых частиц, способных находиться в одном из двух состояний. Регулируя силы взаимодействия между отдельными кубитами, исследователям удалось создать "локализацию множества тел" прямо внутри квантового процессора, а микроволновое излучение заставило локализацию изменить свое состояние на зеркальное, сохранив при этом скорость и направление вращения всего кристалла в целом.
К сожалению, пока еще не совсем ясно, где и как могут быть использованы на практике пространственно-временные кристаллы, создаваемые таким методом в недрах квантовых компьютеров. Но, как мы уже упоминали чуть выше, "все это является масштабируемым подходом для изучения неравновесных состояний материи при помощи существующих квантовых компьютеров". И, вполне возможно, что подобные пространственно-временные кристаллы в будущем смогут стать основой новых квантовых алгоритмов, при помощи которых будут выполняться вычисления каких-нибудь экзотических задач из не менее экзотических областей науки.