Кристаллы времени: что это такое и зачем они нужны?

По мнению ученных, «кристаллы времени» имеют большой потенциал, ведь их можно использовать, например, для улучшения работы спутниковой навигации. Впервые «кристаллы времени» были экспериментально продемонстрированы в 2017 году, а уже в 2021 году исследователи из Google заявили о том, что разместят внутри квантового компьютера Google Sycamore темпоральный кристалл. Благодаря которому, он сможет за считаные минуты решать задачи. Так что это всё-таки за «новшество»?



В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек предположил существование нового типа кристалла. Хотя большинство кристаллов имеют структуру, повторяющуюся в двух или трех измерениях, Вильчек представил концепцию кристалла, структура которого воспроизводится четыре раза: три из них соответствуют измерениям пространства, а четвертое — измерению времени. Он назвал эту гипотетическую структуру «кристаллом времени», и лишь в 2018 году ученым удалось выяснить, как можно синтезировать их в лабораторных условиях.

Кристаллы времени – что, зачем и почему?

Кристаллы времени абсолютно новый вид состояния материи, при котором периодически меняется его структура без выделения или поглощения энергии. Что удивительно в них, так это то, что, когда они перемещаются взад и вперед между двумя различными конфигурациями, они не теряют и не используют никакой энергии. Это не машина времени и не артефакт, речь идёт о физической теории, которая пока только разрабатывается. Формально при этом нарушается второй закон термодинамики и симметрия обращения времени.



Атомы «Кристалла времени», который напоминает «Кубик Рубика»
Любой стандартный кристалл, который мы знаем, например такой как алмаз, изумруд или даже обычный кубик льда, определяет то, что атомы кристалла каким-то образом расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга. Теория относительности утверждает, что существует три измерения пространства и четвертое измерение, время. Поэтому некоторые физики задались вопросом, могут ли атомы кристалла быть расположены во времени по повторяющимся закономерностям. Сама по себе идея является довольно новой. Её впервые выдвинул нобелевский лауреат, физик — Франк Вильчек в 2012 году.
Опубликованные исследования показали, что пресловутые кристаллы времени существуют не только как продукт лабораторной деятельности ученых. Оказалось, что подобные структуры могут формироваться и в естественной среде, при этом сам процесс намного проще, чем представляли себе специалисты. Для человечества это большая удача: кристаллы Вильчека могут быть использованы в практических целях, к примеру для создания сверхточных атомных часов, гироскопов нового поколения и других устройств.
Кристаллы времени проявляют весьма странную активность под воздействием электромагнитных волн. В таком кристалле все молекулы вращаются в определенном направлении, и с каждым новым ЭМ-импульсом оно изменяется. Но даже в том случае, если импульсы носят бессистемный характер, направление вращения все равно изменяется с регулярными интервалами, благодаря чему кристаллы времени могут использоваться как мера отсчета временных интервалов, то есть как универсальные часы.

Исследование темпорального кристалла

В 2016 году физикам из Университета Мэриленда удалось собрать «сырой» кристалл времени. Исследователи выяснили, как создать эти кристаллы в лаборатории с помощью довольно сложной методики, включающей в себя точечное воздействие лазеров на набор атомов иттербия.



Йельский университет — где доказали, что синтезировать темпоральный кристалл легко

Новая работа физиков из Йельского университета доказала, что синтезировать кристаллы времени легко. Теоретически, в некоторых структурах «юного химика» могут скрываться кристаллы Вильчека. Шон Баррет, автор исследования, отмечает, что физикам это только на руку, поскольку чем дешевле и проще процесс — тем легче его изучать. Теперь им предстоит во всех деталях разобраться в механизме синтеза» кристаллов времени» и определить, как именно их можно использовать на благо технологического прогресса.

Кристалл времени Google 2021

Всё же в 2021 году учёным удалось доказать возможность существования физических структур, ранее предсказанных только теоретически, совершив прорыв в фундаментальной физике. Они смогли получить так называемый «темпоральный кристалл» на базе 20-кубитового квантового компьютера Sycamore Google, что может послужить более надёжному использованию квантовых компьютеров. Но это предварительное исследование, и ему еще предстоит пройти полную экспертную оценку.
Что же такого хорошего в этом исследовании? Почти все технологии далекого будущего, которые смогут способных существовать без сжигания топлива или использования энергии, потребуют систем квантовых вычислений. Сами по себе они довольно хрупкие, а помочь в этом может как раз «временной кристалл». Потенциально Google доказал, что люди могут производить кристаллы времени. В основном они считают, что доказали эту концепцию, так что теперь пришло время посмотреть, что с ней можно сделать.