Ερευνητές χρησιμοποίησαν τον κβαντικό υπολογιστή της Google για να δημιουργήσουν μια εντελώς νέα φάση της ύλης: έναν χρονοκρύσταλλο.
Οι χρονοκρύσταλλοι έχουν την ικανότητα να εναλλάσσονται για πάντα μεταξύ δύο καταστάσεων χωρίς να χάνουν ενέργεια, με αποτέλεσμα να μην ισχύει ένας από τους σημαντικότερους νόμους της φυσικής, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, ο οποίος ορίζει ότι η αταξία ή εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος πρέπει πάντα να αυξάνεται. Αυτοί οι παράξενοι χρονοκρύσταλλοι παραμένουν σταθεροί παρά το γεγονός ότι υπάρχουν σε μια συνεχή κατάσταση ροής.
Σύμφωνα με ένα ερευνητικό άρθρο στη βάση δεδομένων arXiv, οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν τον χρονοκρύσταλλο για περίπου 100 δευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας qubits (η εκδοχή του κβαντικού υπολογισμού για το παραδοσιακό bit του υπολογιστή) μέσα στον πυρήνα του κβαντικού επεξεργαστή Sycamore της Google.
Η ύπαρξη αυτής της παράξενης νέας φάσης της ύλης και το εντελώς νέο πεδίο φυσικών συμπεριφορών που αποκαλύπτει, αποτελεί μια σημαντική ανακάλυψη για τους φυσικούς, ειδικά καθώς οι χρονοκρύσταλλοι παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2016.
«Αυτή ήταν μια μεγάλη έκπληξη», δήλωσε στο Live Science ο Curt von Keyserlingk, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Αν ρωτούσατε κάποιον πριν από 30, 20 ή ίσως και 10 χρόνια, δεν θα το περίμενε αυτό».
Οι χρονοκρύσταλλοι είναι συναρπαστικά αντικείμενα για τους φυσικούς επειδή ουσιαστικά παρακάμπτουν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, έναν από τους πιο σημαντικούς νόμους της φυσικής, σύμφωνα με τον οποίον, η εντροπία πάντα αυξάνεται.
Αυτή η τάση για αύξηση της αταξίας εξηγεί πολλά πράγματα, όπως γιατί είναι ευκολότερο να ανακατεύουμε τα συστατικά σε ένα μείγμα παρά να τα διαχωρίζουμε ξανά ή γιατί τα καλώδια των ακουστικών μπερδεύονται τόσο πολύ στις τσέπες μας. Θέτει επίσης το βέλος του χρόνου, με το σύμπαν του παρελθόντος να είναι πάντα πιο τακτοποιημένο από το παρόν, Για παράδειγμα, όταν βλέπουμε ένα βίντεο αντίστροφα, μας φαίνεται παράξενο κυρίως επειδή γινόμαστε μάρτυρες της αντιφατικής αντιστροφής αυτής της εντροπικής ροής.
Οι χρονοκρύσταλλοι δεν ακολουθούν αυτόν τον κανόνα. Αντί να προσεγγίζουν σιγά σιγά τη θερμική ισορροπία, «θερμαίνονται» έτσι ώστε η ενέργεια ή η θερμοκρασία τους να κατανέμεται ισομερώς σε όλο το περιβάλλον τους, βρίσκονται ανάμεσα σε δύο ενεργειακές καταστάσεις πάνω από αυτή την κατάσταση ισορροπίας, και ανακυκλώνονται μεταξύ τους επ’ αόριστον.
«Φανταστείτε ένα σφραγισμένο κουτί γεμάτο με κέρματα το οποίο στη συνέχεια, θα κουνήσετε ένα εκατομμύριο φορές. Καθώς τα κέρματα κροταλίζουν και αναπηδούν το ένα γύρω από το άλλο, «γίνονται όλο και πιο χαοτικά, εξερευνώντας διάφορους συνδυασμούς διάταξης» μέχρι να σταματήσει το κούνημα και να ανοίξει το κουτί για να αποκαλύψει τα κέρματα σε μια τυχαία διάταξη, με περίπου τα μισά στραμμένα προς τα πάνω και τα μισά προς τα κάτω», εξήγησε ο επιστήμονας.
Με τον ίδιο τρόπο που τα κέρματα μπορούν να είναι είτε κορώνα είτε γράμματα, τα qubits μπορούν να είναι είτε 1 είτε 0 – οι δύο δυνατές θέσεις σε ένα σύστημα δύο καταστάσεων – ή ένα περίεργο μείγμα των πιθανοτήτων και των δύο καταστάσεων που ονομάζεται υπέρθεση.
Αυτό που είναι περίεργο με τους χρονοκρυστάλλους, λέει ο von Keyserlingk, είναι ότι το κούνημα από τη μία κατάσταση στην άλλη, δεν μπορεί να μετακινήσει τα qubits του χρονοκρυστάλλου στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, η οποία είναι μια τυχαία διάταξη- μπορούν μόνο να το γυρίσουν από την αρχική του κατάσταση στη δεύτερη κατάσταση και μετά πάλι πίσω.
«Είναι σαν να θυμάται πώς έμοιαζε αρχικά και επαναλαμβάνει αυτό το μοτίβο με την πάροδο του χρόνου», δήλωσε ο von Keyserlingk.
Υπό αυτή την έννοια, ένας χρονοκρύσταλλος είναι σαν ένα εκκρεμές που δεν σταματά ποτέ.
Αν απομονώσετε φυσικά ένα εκκρεμές από το σύμπαν, ώστε να μην υπάρχει τριβή και αντίσταση του αέρα, αυτό τελικά θα σταματήσει. Και αυτό οφείλεται στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.
Στην ουσία, οι μόνοι κανόνες που επιτρέπουν την ύπαρξη των χρονοκρυστάλλων, είναι αυτοί της κβαντομηχανικής. Στον κβαντικό κόσμο, τα αντικείμενα συμπεριφέρονται ταυτόχρονα και ως σημειακά σωματίδια και ως μικρά κύματα, με το μέγεθος αυτών των κυμάτων σε κάθε δεδομένη περιοχή του χώρου, να αντιπροσωπεύει την πιθανότητα να βρεθεί ένα σωματίδιο στη συγκεκριμένη θέση. Όμως η τυχαιότητα (όπως τυχαίες ατέλειες στη δομή ενός κρυστάλλου ή μια προγραμματισμένη τυχαιότητα στις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των qubits) μπορεί να προκαλέσει το κύμα πιθανότητας ενός σωματιδίου να ακυρωθεί παντού, εκτός από μια πολύ μικρή περιοχή. Το σωματίδιο παραμένει ριζωμένο στη θέση του, χωρίς να μπορεί να μετακινηθεί, να αλλάξει κατάσταση ή να θερμανθεί με το περιβάλλον του, κι έτσι εντοπίζεται.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη διαδικασία εντοπισμού ως βάση του πειράματός τους. Χρησιμοποιώντας 20 λωρίδες υπεραγώγιμου αλουμινίου για τα qubits τους, προγραμμάτισαν το καθένα σε μία από τις δύο πιθανές καταστάσεις. Στη συνέχεια, εκτοξεύοντας μια δέσμη μικροκυμάτων πάνω από τις λωρίδες, κατάφεραν να οδηγήσουν τα qubits τους σε εναλλαγή καταστάσεων. Οι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα για δεκάδες χιλιάδες εκτελέσεις και σταμάτησαν σε διαφορετικά σημεία για να καταγράψουν τις καταστάσεις στις οποίες βρίσκονταν τα qubits. Αυτό που διαπίστωσαν ήταν ότι η συλλογή από qubits άλλαζε μπρος-πίσω μεταξύ δύο μόνο διαμορφώσεων, και δεν απορροφούσαν θερμότητα ούτε από τη δέσμη μικροκυμάτων – είχαν φτιάξει έναν χρονοκρύσταλλο.
Εντόπισαν επίσης μια βασική ένδειξη ότι ο χρονοκρύσταλλος ήταν μια φάση της ύλης. Για να θεωρηθεί κάτι ως φάση, πρέπει συνήθως να είναι πολύ σταθερό απέναντι στις διακυμάνσεις. Τα στερεά δεν λιώνουν αν οι θερμοκρασίες γύρω τους μεταβάλλονται ελαφρώς- ούτε οι μικρές διακυμάνσεις προκαλούν ξαφνικά εξάτμιση ή πάγωμα των υγρών. Με τον ίδιο τρόπο, αν η δέσμη μικροκυμάτων που χρησιμοποιήθηκε για την αναστροφή των qubits μεταξύ των καταστάσεων ρυθμιζόταν ώστε να είναι κοντά αλλά ελαφρώς μακριά από τις ακριβείς 180 μοίρες που απαιτούνται για μια τέλεια αναστροφή, τα qubits εξακολουθούσαν παρ’ όλα αυτά να αναστρέφονται στην άλλη κατάσταση.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό γνώρισμα της μετάβασης από τη μία φάση στην άλλη είναι το σπάσιμο των φυσικών συμμετριών, η ιδέα δηλαδή, ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για ένα αντικείμενο σε οποιοδήποτε σημείο του χρόνου ή του χώρου. Ως υγρό, τα μόρια του νερού ακολουθούν τους ίδιους φυσικούς νόμους σε κάθε σημείο του χώρου και προς κάθε κατεύθυνση. Αν το νερό κρυώσει αρκετά ώστε να μετατραπεί σε πάγο, τα μόριά του θα επιλέξουν σημεία κατά μήκος μιας κρυσταλλικής δομής – ή πλέγματος – για να διαταχθούν. Ξαφνικά, τα μόρια του νερού προτίμησαν συγκεκριμένα σημεία στο χώρο, ενώ άφησαν άλλα σημεία κενά. Η χωρική συμμετρία του νερού έσπασε αυθόρμητα.
Με τον ίδιο τρόπο που ο πάγος γίνεται κρύσταλλος στο χώρο με το σπάσιμο της χωρικής συμμετρίας, οι χρονοκρύσταλλοι γίνονται έτσι με το σπάσιμο της χρονικής συμμετρίας. Στην αρχή, πριν από τη μετατροπή τους στη φάση του χρονοκρυστάλλου, η σειρά των qubits θα βιώνει μια συνεχή συμμετρία μεταξύ όλων των χρονικών στιγμών. Όμως ο περιοδικός κύκλος της δέσμης μικροκυμάτων τεμαχίζει τις συνεχείς συνθήκες που βιώνουν τα qubits σε διακριτά πακέτα (καθιστώντας τη συμμετρία που επιβάλλει η δέσμη διακριτή συμμετρία χρονικής μετάθεσης). Στη συνέχεια, με την αναστροφή μπρος-πίσω σε διπλάσια περίοδο από το μήκος κύματος της δέσμης, τα qubits δεν τηρούν τη διακριτή συμμετρία χρονικής μετάθεσης που επιβάλλει το λέιζερ. Είναι τα πρώτα αντικείμενα που γνωρίζουμε ότι είναι σε θέση να το κάνουν αυτό.
Ο έλεγχος που παρέχει το Sycamore στους ερευνητές πέρα από άλλες πειραματικές διατάξεις θα μπορούσε να το καταστήσει ιδανική πλατφόρμα για περαιτέρω έρευνα. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να βελτιωθεί. Όπως όλα τα κβαντικά συστήματα, ο κβαντικός υπολογιστής της Google πρέπει να είναι απόλυτα απομονωμένος από το περιβάλλον του για να αποτρέψει τα qubits του από το να υποστούν μια διαδικασία που ονομάζεται αποσυγκέντρωση, η οποία τελικά καταρρίπτει τα φαινόμενα κβαντικού εντοπισμού, καταστρέφοντας τον χρονοκρύσταλλο. Οι ερευνητές επεξεργάζονται τρόπους για την καλύτερη απομόνωση του επεξεργαστή τους και τον μετριασμό των επιπτώσεων της αποσυγκέντρωσης, αλλά είναι απίθανο να εξαλείψουν το φαινόμενο οριστικά.
Παρ’ όλα αυτά, το πείραμα της Google είναι πιθανό να αποτελέσει σημείο αναφοράς για τη μελέτη των χρονοκρυστάλλων στο άμεσο μέλλον. Αν και πολυάριθμα άλλα προγράμματα έχουν καταφέρει να δημιουργήσουν με άλλους τρόπους κάτι που φαίνεται σα να είναι χρονοκρύσταλλοι, χρησιμοποιώντας διαμάντια, υπερρευστό ήλιο-3, οιονεί σωματίδια και συμπυκνώματα Bose-Einstein. Ωστόσο, τις περισσότερες φορές οι κρύσταλλοι που παράγονται σε αυτές τις διατάξεις διαλύονται πολύ γρήγορα και δεν μπορούν να μελετηθούν λεπτομερώς.
Η θεωρητική καινοτομία των κρυστάλλων είναι κατά κάποιο τρόπο δίκοπο μαχαίρι, καθώς οι φυσικοί δυσκολεύονται προς το παρόν να βρουν σαφείς εφαρμογές γι’ αυτούς, αν και ο von Keyserlingk έχει προτείνει ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες υψηλής ακρίβειας. Άλλες προτάσεις περιλαμβάνουν τη χρήση των κρυστάλλων για καλύτερη αποθήκευση μνήμης ή για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών με ακόμη ταχύτερη επεξεργαστική ισχύ.
Αλλά από μια άλλη άποψη, η σπουδαιότερη εφαρμογή των χρονοκρυστάλλων μπορεί να είναι ήδη εδώ καθώς επιτρέπουν στους επιστήμονες να διερευνήσουν τα όρια της κβαντομηχανικής.
«Σας επιτρέπει όχι απλώς να μελετήσετε αυτό που εμφανίζεται στη φύση, αλλά να το σχεδιάσετε πραγματικά και να εξετάσετε τι σας επιτρέπει και τι όχι η κβαντομηχανική». «Αν δεν βρίσκεις κάτι στη φύση, δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να υπάρξει – μόλις δημιουργήσαμε ένα από αυτά τα πράγματα».
