Mokslas ir IT

2021.09.17 15:23

Kvantiniame „Google“ kompiuteryje sukurtas laiko kristalas gali visiems laikams pakeisti fiziką

LRT.lt2021.09.17 15:23

Su „Google“ bendradarbiaujantys mokslininkai, pasinaudoję technologijų milžinės kvantiniu kompiuteriu, galbūt ką tik sukūrė visiškai naują materijos fazę – laiko kristalą, rašo „Live Science“.

Amžinai tarp dviejų būsenų judėti ir neprarasti energijos gebantys laiko kristalai pamina vieną svarbiausių fizikos dėsnių – antrąjį termodinamikos dėsnį, kuris teigia, kad izoliuotoje sistemoje netvarka arba entropija visada didėja. Tačiau keistieji laiko kristalai išlieka stabilūs, neišsiformuoja į atsitiktines struktūras, nepaisant to, kad yra nuolatinėje kitimo būsenoje.

Remiantis liepos 28 d. „ArXiv“ išankstinio publikavimo duomenų bazėje paskelbtu tyrimą aprašančiu straipsniu, naudodami „Google Sycamore“ kvantinio procesoriaus šerdyje esančius kubitus (bitų atitikmenis kvantiniuose kompiuteriuose), mokslininkai sugebėjo maždaug 100 sekundžių sukurti laiko kristalą.

Šios keistos naujos materijos fazės egzistavimas ir visiškai nauja fizinių elgsenų sritis, kurią ji atskleidžia, yra fizikams neįtikėtinai įdomus reiškinys, tuo labiau, kad tik prieš devynerius metus pasirodė hipotezė, teigianti, kad laiko kristalai apskritai egzistuoja.

„Tai buvo didelė staigmena, – „Live Science“ sakė tyrime nedalyvavęs JK Birmingemo universiteto fizikas Curtas von Keyserlingkas. – Prieš 30, 20 ar net prieš 10 metų niekas to net negalėjo tikėtis.“

Laiko kristalai fizikams yra labai įdomūs objektai, nes jie iš esmės paneigia antrąjį termodinamikos dėsnį, vieną iš griežčiausių fizikos dogmų, teigiančių kad entropija (apytikslis netvarkos sistemoje kiekio analogas) visada didėja. Jei norite daugiau tvarkos, turite įdėti daugiau energijos.

Šis dėsnis paaiškina daugybę dalykų, pavyzdžiui, kodėl lengviau sumaišyti ingredientus į vieną masę, nei vėl juos atskirti, arba kodėl ausinių laidai taip susipainioja kelnių kišenėje. Jis taip pat nustato laiko rodyklę, kuomet visata praeityje yra kur kas tvarkingesnė nei dabartyje; pavyzdžiui, žiūrėti vaizdo įrašą iš kito galo gali būti keista pirmiausia dėl to, kad stebite priešingą intuityviam entropinį srautą.

Laiko kristalams ši taisyklė negalioja. Užuot lėtai artėję link terminės pusiausvyros – „termalizavęsi“, kad jų energija ar temperatūra būtų tolygiai pasiskirsčiusios visoje aplinkoje, jie įstringa tarp dviejų energijos būsenų aukščiau pusiausvyros būsenos, neribotą laiką svyruodami tarp jų pirmyn ir atgal.

Norėdamas paaiškinti, kiek neįprastas yra toks elgesys, C. von Keyserlingkas pasiūlė įsivaizduoti sandariai uždarytą dėžutę su monetomis, kuri yra kratoma milijoną kartų. Atšokdamos nuo dėžutės sienelių ir viena nuo kitos monetos „vis chaotiškiau išsidėsto, sudarydamos įvairiausias konfigūracijas, kokias tik gali sudaryti“, kol nustojama kratyti dėžutę ir ji atidaroma, siekiant apžiūrėti atsitiktine tvarka sukritusias monetas, kurių maždaug pusė nukreipta aversu aukštyn, o likusi pusė – žemyn. Mes galime tikėtis pamatyti tokį atsitiktinį monetų išsidėstymą, nepriklausomai nuo to, kaip buvome jas sudėję, prieš pradėdami kratyti dėžutę.

„Google Sycamore“ „dėžutėje“ galime stebėti kvantinio procesoriaus kubitus panašiai kaip tas monetas. Panašiai kaip monetos, kurios gali būti aversu ar reversu į viršų, kubitai gali būti 1 arba 0 – dvi galimos dviejų būsenų sistemos pozicijos – arba virsti keistu abiejų būsenų tikimybių mišiniu, vadinamu superpozicija.

Kalbant apie laiko kristalus, anot C. von Keyserlingko, keisčiausia tai, kad jokie purtymai ar pervedimai iš vienos būsenos į kitą negali perkelti laiko kristalo kubitų į žemiausios energijos būseną, kuri yra atsitiktinė konfigūracija; jie tegali pereiti iš pradinės būsenos į antrąją būseną, o tada vėl grįžti atgal.

„Tai tarsi trigeris, – aiškina C. von Keyserlingkas. – Jis neįgyja atsitiktinės būsenos, jis tiesiog užstringa. Jis tarsi prisimena, kaip atrodė iš pradžių, ir laikui bėgant atkartoja tą vaizdą.“

Šia prasme laiko kristalas yra tarsi švytuoklė, kuri niekada nenustoja švytuoti.

„Net jei visiškai fiziškai izoliuosite švytuoklę nuo visatos ir nebus nei trinties, nei oro pasipriešinimo, ji galiausiai sustos. Taip veikia antrasis termodinamikos dėsnis, – „Live Science“ sakė JK Lafboro universiteto fizikas Achilleas Lazaridesas, vienas iš tų mokslininkų, kurie 2015 m. atrado, kad egzistuoja teorinė naujos fazės galimybė. – Pradžioje energija yra sutelkta į švytuoklės masės centrą, tačiau yra įvairūs vidiniai laisvės laipsniai, pavyzdžiui, tai, kaip atomai vibruoja strypo viduje, į kuriuos ji galiausiai persiduos.“

Mums svarbus tikslumas ir sklandi tekstų kalba. Jei pastebėjote klaidų, praneškite portalas@lrt.lt