„Cristalul timpului” a fost creat în interiorul chipului Sycamore al Google, care este menținut la temperaturi scăzute într-un criostat
(credit: Eric Lucero/Google, Inc.)
O echipă de cercetători de la Google a creat și demonstrat existența unui „cristal al timpului” pe un computer cuantic. Presa de specialitate, în anumite cazuri, a prezentat realizarea ca una care va schimba fizica pentru că ar reprezenta o violare a legii a doua a termodinamicii. Să vedem despre ce este vorba.
Articolul original este disponibil aici, accesibil în integralitate. Ceea ce numim „cristal al timpului” este denumit de cercetători, în original, „Time-Crystalline Eigenstate Order”.
Ce este un „cristal al timpului”?
Conceptul este unul foarte recent, dacă urmărim evoluția fantastic de rapidă de la idee la realizare practică: a fost propusă de un laureat al Premiului Nobel, Frank Wilczek, în 2012. Ideea avansată de acesta a fost existența unei noi stări a materiei, adică un „cristal al timpului”.
Ce este un cristal „obișnuit”, de materie, știți: o matrice din particule sau molecule care formează o structură ordonată, care se repetă în spațiu și care prezintă simetrie tranlațională (arată la fel în interior, de unde l-ai privi).
Cristalul timpului este diferit. Păstrează partea de „repetare”, dar nu a structurii materiei, ci a configurației, la intervale anume. Adică un cristal al timpului revine la aceeași configurație în mod repetat în timp.
Ca să creezi un „cristal al timpului” trebuie să eviți ce se întâmplă cu un sistem, în genere, adică atunci când are loc un schimb de energie, această energie se transferă în interiorul sistemului, producând căldură ca urmare a multiplelor interacțiuni dintre componentele sistemului. Așadar, ca să creezi un cristal al timpului trebuie să acționezi asupra sistemului, din afară, pentru a genera un răspuns periodic ce este proporțional cu timpul dintre impulsuri, iar la un număr constant de perioade sistemul revine la starea inițială. Cristalul timpului oscilează, revenind la un anumit interval la starea inițială.
Cum se poate obține un cristal al timpului?
Două grupuri de cercetători, de la Universitatea Maryland și Universitatea Harvard, au încercat obținerea experimentală a cristalului timpului.
Primul grup a luat o serie de atomi de ytriu aranjați în linie, toți cuplați prin interacțiuni electrostatice. După ce au transmis către grupul de atomi aliniați impulsuri care schimbau spinul particulelor, au descoperit că sistemul de atomi revenea la starea sa inițială după două impulsuri.
Celălalt grup a folosit un cristal de diamant care conținea în jur de 1 milion de „impurități de spin” (eng. spin-impurities), către care au transmis impulsuri de radiație electromagnetică. Concret, diamantul avea ca „impurități” atomi de azot. Undele electromagnetice au schimbat spinul acelor „impurități”, în timp ce oscilații ale cristalului (reveniri la starea inițială) au fost observate la trei impulsuri.
Interesant este că s-a obținut „cristalul timpului” de către ambele grupuri, chiar și dacă impulsurile erau „imperfecte”, adică se varia: amplitudinea sau frecvența impulsurilor ori dacă se creștea / scădea cantitatea de zgomot ori de interacțiuni dintre impulsuri.
Și ce anume au făcut cercetătorii de la Google?
Cum arată un „cristal al timpului” cuantic?
Atunci când aceste cristale ale timpului au fost create în 2016 / 2017 s-a admis ideea că ar putea fi implementate într-un computer cuantic.
Un computer cuantic nu lucrează cu 0 și 1 pentru a coda biți, ci un qubit, adică 0 și 1 sunt în superpoziție, adică 0 și 1 concomitent.
Deși măsori 0 și 1 în final, faptul că dispui de qubiți îți permite să vezi dacă ai păstrat starea cuantică a sistemului (sau nu), dacă rezultatele sunt fără erori (sau nu), ce tip de distribuție finală ai și dacă aceasta se potrivește cu predicțiile teoretice.
Problema dificilă în ce privește computerul cuantic este cea a decoerenței, adică faptul că într-un timp scurt sistemul interacționează cu particulele din proximitate, iar asta duce la pierderea comportamentului cuantic pe care încerci să-l păstrezi.
În cazul computerului cuantic al Google, bazat pe qubiți superconductori, există o perioadă de coerență de 50 de microsecunde. Se pot, așadar, efectua doar câteva calcule înainte să apară decoerența și să pierzi starea cuantică pe care vrei să o menții.
În loc de spin, ca în cazul diamantului, vorbim de o proprietate diferită: ordinea valorilor din sistemele cu mai multe corpuri. Dacă aduci qubiții într-o stare de echilibru, vei observa că există ordine în starea de cea mai joasă energie și dezordine la energii mai mari. De aceea, în circumstanțe normale, dacă introduci prea multă energie în sistem vei avea dezordine.
Dar anumite sisteme pot etala ceea ce se numește „localizare pentru corpuri multiple”, care presupune conservare locală și un număr limitat de stări ordonate.
Cercetătorii de la Google au transmis impulsuri de microunde către cipul cuantic; dacă qubiții nu absorb căldură sau disipă energia către mediu, poți avea treceri multiple între stări ordonate, iar cu un număr suficient de impulsuri sistemul revine la starea inițială. Asta au reușit cei de la Google, adică să aducă sistemul cuantic la starea originală la fiecare două impulsuri cu microunde - adică au obținut un cristal al timpului cu ajutorul unui computer cuantic.
Deși trebuie să „pompezi” energie în sistem sub formă de impulsuri electromagnetice, „cristalul timpului” poate reveni la starea inițială, chiar și dacă apar mici imperfecțiuni în schimbările de stare ale qubiților, iar asta fără a distruge natura stării cuantice pe fondul instabilităților termice. Asta este o realizare incredibilă!
Nu avem de-a face cu o violare a celei de-a două legi a termodinamicii, pentru aceasta se aplică sistemelor închise, nu deschise, cum este cazul celor menționate mai sus.
Sursa: BigThink
