В мире науки не утихают споры о природе материи и времени, и на этот раз учёные сделали прорыв в квантовых технологиях — им удалось создать первый в мире двумерный кристалл времени с помощью одного из самых передовых квантовых компьютеров на планете. Это выдающееся достижение открывает перед физикой новые горизонты, доказывая, что даже такие сложные и экзотические фазы, как кристаллы времени, можно воспроизводить искусственным путём при помощи новейших вычислительных технологий.
Что такое кристалл времени и почему это важно
В обычных кристаллах, как алмазы или соль, атомы расположены в пространственной решётке, повторяющейся по определённым законам. Но кристаллы времени — явление куда необычнее. Их структура не повторяется в пространстве, а воспроизводится в течение времени: частицы таких объектов автоматически возвращаются к исходному состоянию через равные промежутки, словно попадают в ритмический танец, который не прекращается и не требует дополнительной энергии. Это явление ломает привычные представления о законах физического равновесия.
Если попытаться представить это простыми словами, кристалл времени — словно желе, которое вечно вибрирует без всякой видимой причины. В физике этот феномен называют спонтанным нарушением временной трансляционной симметрии. Уникальность этих кристаллов ещё и в том, что они отказываются подчиняться тяготению к состоянию покоя — ничто из обычной материи не способно на подобный “бунт” против термализации.
Первые шаги в построении двумерного кристалла времени
До недавнего времени наука лишь осторожно прикасалась к этим удивительным объектам, и все эксперименты ограничивались одномерными кристаллами времени — длинными цепочками частиц, взаимодействующих между собой. Но в мире квантовой физики перейти от линии к плоскости — задача крайне сложная: чем выше размерность системы, тем труднее поддерживать её упорядоченность, столь легко уступающую место хаосу. Многие эксперты поначалу не верили, что двумерный временной кристалл вообще возможно стабилизировать.
Однако упорство исследователей, вооружённых передовой техникой, привело к долгожданному успеху: физики реализовали эксперимент по созданию двумерного кристалла времени, используя современные квантовые вычисления.
Как IBM Heron r2 и кубиты стали основой эксперимента
Для своего эксперимента международная команда учёных выбрала мощнейший квантовый процессор IBM Heron r2, оборудованный 156-ю кубитами — особыми квантовыми частицами, играющими роль строительных блоков для квантовых вычислений. Из этого числа в кристалле задействовали 144 кубита, выстроенных в форму гексагональной решётки — что-то похожее на пчелиные соты. Такая конфигурация позволила точнее моделировать сложные квантовые взаимодействия и отслеживать поведение системы в реальном времени.
Для связывания кубитов применили анизотропную модель Гейзенберга — в ней сила взаимодействия между соседями различалась в зависимости от направления. Такой особый вид связи защищал структуру от разрушительного воздействия тепла и внешних флуктуаций. В систему регулярно подавались внешние импульсы, заставляя кубиты менять свои состояния. Благодаря мудрому проектированию связей число участников “танца времени” не сокращалось — наоборот, система входила в устойчивый ритм, резонируя с заданной частотой.
Экспериментальные открытия: устойчивый ритм и квантовые сюрпризы
В ходе эксперимента исследователи наблюдали: двумерная решётка действительно приобретает новое стабильное состояние. Кубиты начали вибрировать с периодом, кратным частоте внешних воздействий — появился феномен субгармонического отклика, типичный для кристаллов времени. Более того, устоявшийся ритм сохранялся продолжительное время, даже несмотря на технический шум, свойственный современным квантовым машинам.
Для глубокой оценки поведения системы и отличия фаз учёные построили специальные диаграммы. Они варьировали силу флип-отношения спинов и угол внешнего воздействия на кубиты — в результате удалось однозначно выделить границы трёх основных фаз: фазу спинового стекла (почти полная “заморозка”), хаотичную эргодическую фазу (где информация бесследно рассеивается), и, наконец, долгожданную фазу кристалла времени, в которой структура нарушает временную симметрию.
Важных данных удалось добиться и благодаря измерению квантовой информации Фишера — характеристика, отображающая, насколько быстро растёт запутанность между частицами системы. В хаотической фазе этот рост был почти взрывным, а в режиме кристалла времени — шел удивительно медленно, в логарифмическом ритме. Это доказывало, что на плоскости работает механизм многочастичной локализации, препятствуя тепловому “растворению” нового состояния вещества.
Неожиданные свойства начальных состояний и «квантовые шрамы»
Особый интерес вызвали эксперименты по запуску системы из разных стартовых условий. Когда все спины изначально чередовались, кристалл времени проявлял себя согласно ожиданиям. Однако если начальная конфигурация была полностью поляризована (то есть все спины смотрели в одну сторону), это состояние оказалось поразительно устойчивым и сохраняло ритмику даже под воздействием мощных внешних “потрясений”. Подобное поведение учёные связывают с редким и крайне интересным эффектом — так называемыми “квантовыми шрамами”, которые иногда позволяют даже высокоэнергетическим квантовым системам избегать полной термализации и разрушения порядка.
Перспективы квантовых исследований и новые горизонты для физики
Эксперимент с IBM Heron r2 — не только прекрасная иллюстрация возможностей интеграции высоких технологий и фундаментальной науки, но и мощный стимул для будущих открытий. Уже сейчас очевидно, что даже столь сложные и изначально хрупкие квантовые структуры, как двумерные кристаллы времени, могут быть реализованы и стабилизированы в лабораторных условиях. Это заметно расширяет горизонты изучения неравновесных состояний материи и квантовой термодинамики, открывая путь к пониманию гораздо более экзотических фаз вещества.
Теперь у современной науки есть универсальный инструмент для моделирования самых необычных квантовых явлений на реальных квантовых процессорах. В будущем это позволит увидеть новые формы материи, раздвинет пределы возможного для квантовых вычислений и, возможно, поможет раскрыть фундаментальные механизмы самого времени — одной из самых загадочных субстанций Вселенной.
Источник: naked-science.ru
