Jurnal FM 
„Cristalul timpului” realizat în computerul cuantic Google ar putea schimba fizica pentru totdeauna
#Postat de Antoniu Lovin on septembrie 17, 2021
Este posibil ca cercetătorii care lucrează în parteneriat cu Google să fi folosit computerul cuantic al gigantului tehnologic pentru a crea o fază complet nouă a materiei – un cristal al timpului. Având capacitatea de a circula pentru totdeauna între două stări fără a pierde vreodată energie, cristalele timpului evită una dintre cele mai importante legi ale fizicii – a doua lege a termodinamicii, care afirmă că tulburarea sau entropia unui sistem izolat trebuie să crească întotdeauna. Aceste cristale de timp bizare rămân stabile, în ciuda existenței într-o stare constantă de flux. Potrivit unui articol de cercetare postat pe 28 iulie în baza de date de preimprimare arXiv, oamenii de știință au reușit să creeze cristalul timpului timp de aproximativ 100 de secunde folosind qubits (versiunea de calcul cuantic a bitului tradițional al computerului) în nucleul procesorului cuantic Sycamore de la Google.
Existența acestei faze ciudate de materie nouă și tărâmul complet nou al comportamentelor fizice pe care le dezvăluie este incredibil de interesant pentru fizicieni, mai ales că cristalele de timp au fost prezise pentru prima dată cu doar nouă ani în urmă. „A fost o mare surpriză”, a declarat pentru Live Science Curt von Keyserlingk, fizician la Universitatea din Birmingham din Marea Britanie, care nu a fost implicat în studiu. „Dacă ai întreba pe cineva acum 30, 20 sau poate chiar 10 ani în urmă, nu s-ar fi așteptat la acest lucru”. Cristalele de timp sunt obiecte fascinante pentru fizicieni, deoarece în esență ocolesc a doua lege a termodinamicii, una dintre cele mai cunoscute legi din fizică. Se afirmă că entropia (un analog dur pentru cantitatea de tulburare dintr-un sistem) crește întotdeauna. Dacă doriți să faceți ceva mai ordonat, trebuie să puneți mai multă energie în el.
Această tendință de creștere a dezordinii explică o mulțime de lucruri, cum ar fi de ce este mai ușor să amestecați ingredientele într-un amestec decât să le separați din nou sau de ce cablurile pentru căști se încurcă atât de mult în buzunarele pantalonilor. De asemenea, stabilește săgeata timpului, universul trecut fiind întotdeauna mai ordonat decât prezentul; vizionarea unui videoclip invers, de exemplu, este posibil să ți se pară ciudat în primul rând pentru că asisti la inversarea contraintuitivă a acestui flux entropic. Cristalele de timp nu respectă această regulă. În loc să se apropie încet de echilibrul termic – „termalizându-se” astfel încât energia sau temperatura lor să fie distribuite în mod egal în împrejurimile lor, ele se blochează între două stări de energie deasupra stării de echilibru, ciclând înainte și înapoi între ele la nesfârșit. Pentru a explica cât de neobișnuit este acest comportament, von Keyserlingk a spus să imaginezi o cutie sigilată plină cu monede înainte de a fi scuturată de un milion de ori. Pe măsură ce monedele ricoșează și se întorc reciproc, ele „devin din ce în ce mai haotice, explorând tot felul de configurații pe care le pot explora” până când se oprește tremuratul și cutia este deschisă pentru a dezvălui monedele în mod aleatoriu configurație, cu aproximativ jumătate din monede orientate în sus și jumătate în jos.
Ne putem aștepta să vedem acest punct final aleatoriu, jumătate în sus, jumătate în jos, indiferent de modul în care am aranjat prima dată monedele în cutie. În interiorul „cutiei” Google Sycamore, putem vizualiza qubit-urile procesorului cuantic la fel cum am vedea și monedele noastre. În același mod în care monedele pot fi cap sau pajură, qubiturile pot fi fie un 1, fie un 0 – cele două poziții posibile într-un sistem cu două stări – sau un amestec ciudat de probabilități ale ambelor stări numite suprapunere. Ceea ce este ciudat în ceea ce privește cristalele de timp, spune von Keyserlingk, este că nici o scuturare sau zgâriere dintr-o stare în alta nu poate muta qubiturile cristalului de timp în starea de energie cea mai scăzută, care este o configurație aleatorie; ei pot doar să-l întoarcă de la starea sa de pornire la a doua sa stare, apoi din nou. „Este doar un fel de flip-flops”, a spus von Keyserlingk. „Nu ajunge să pară aleatoriu, ci doar se blochează. Parcă își amintește cum arăta inițial și repetă acel tipar în timp.”
În acest sens, un cristal al timpului este ca un pendul care nu încetează niciodată să se balanseze. „Chiar dacă izolezi complet un pendul din univers, deci nu există frecare și nici o rezistență la aer, acesta se va opri în cele din urmă. Și asta datorită celei de-a doua legi a termodinamicii”, a declarat Achilleas Lazarides, fizician la Universitatea din Loughborough în Marea Britanie, pentru Live Science. „Energia începe concentrată în centrul de masă al pendulului, dar există toate aceste grade interne de libertate – cum ar fi felul în care atomii pot vibra în interiorul tijei – în care va fi transferată în cele din urmă.” De fapt, nu există nicio modalitate ca un obiect pe scară largă să se comporte ca un cristal al timpului fără să pară absurd, deoarece singurele reguli care permit cristalelor de timp să existe sunt regulile înfricoșătoare și suprarealiste care guvernează lumea mecanicii cuantice. În lumea cuantică, obiectele se comportă atât particule punctuale și unde în același timp, magnitudinea acestor unde într-o anumită regiune a spațiului reprezentând probabilitatea de a găsi o particulă în acea locație. Dar aleatoritatea (cum ar fi defectele aleatorii în structura unui cristal sau o aleatorie programată a forțelor de interacțiune între qubituri) poate determina valul de probabilitate al unei particule să se anuleze peste tot, în afară de o regiune foarte mică.
Înrădăcinată în loc, incapabilă să se miște, să schimbe stări sau să se termizeze cu împrejurimile sale, particula devine localizată. În același mod în care gheața devine un cristal în spațiu prin ruperea cu simetria spațială, cristalele de timp devin cristale în timp prin ruperea cu simetria timpului. La început, înainte de transformarea lor în faza cristalină a timpului, rândul de qubiți va experimenta o simetrie continuă între toate momentele din timp. Dar ciclul periodic al fasciculului de microunde toacă condițiile constante experimentate de qubits în pachete discrete (făcând simetria impusă de fascicul o simetrie discretă de traducere a timpului). Apoi, prin răsucire înainte și înapoi la dublul perioadei lungimii de undă a fasciculului, qubiturile se rup cu simetria discretă de traducere a timpului impusă de laser. Sunt primele obiecte despre care știm că sunt capabile să facă acest lucru. Toate aceste ciudățenii fac ca cristalele timpului să fie bogate în fizică nouă, iar controlul pe care Sycamore îl oferă cercetătorilor dincolo de alte configurări experimentale ar putea face din aceasta o platformă ideală pentru investigații ulterioare. Asta nu înseamnă că nu poate fi îmbunătățit. La fel ca toate sistemele cuantice, computerul cuantic Google trebuie să fie perfect izolat de mediul său pentru a împiedica qubitii să treacă printr-un proces numit decoerență, care în cele din urmă descompune efectele de localizare cuantică, distrugând cristalul timpului. Cercetătorii lucrează la modalități de a-și izola mai bine procesorul și de a atenua impactul decoerenței, dar este puțin probabil să elimine efectul definitiv.
Deși numeroase alte proiecte au reușit să facă ceea ce în mod convingător par a fi cristale de timp în alte moduri – cu diamante, superfluide de heliu-3, cvasiparticule numite magnoni și cu condensate Bose-Einstein – în cea mai mare parte cristalele produse în aceste setări se disipă prea repede pentru studiu detaliat. Noutatea teoretică a cristalelor este, în anumite privințe, o sabie cu două tăișuri, deoarece fizicienii se luptă în prezent să găsească aplicații clare pentru ei, deși von Keyserlingk a sugerat că ar putea fi folosiți ca senzori de înaltă precizie. Alte propuneri includ utilizarea cristalelor pentru o mai bună stocare a memoriei sau pentru dezvoltarea computerelor cuantice cu o putere de procesare chiar mai rapidă. Dar într-un alt sens, cea mai mare aplicare a cristalelor de timp poate fi deja aici: permit oamenilor de știință să cerceteze limitele mecanicii cuantice. „Vă permite să nu studiați doar ceea ce apare în natură, ci să îl proiectați de fapt și să priviți ce vă permite mecanica cuantică și ce nu vă permite să faceți”, a spus Lazarides. „Dacă nu găsești ceva în natură, atunci nu înseamnă că nu poate exista – tocmai am creat unul dintre aceste lucruri”.
Sursa: livescience.com
