Χρονοκρύσταλλοι

 

Αλλόκοσμος «κρύσταλλος χρόνου» που κατασκευάστηκε μέσα στον κβαντικό υπολογιστή της Google θα μπορούσε να αλλάξει τη φυσική για πάντα

^{Ο κρύσταλλος χρόνου δημιουργήθηκε μέσα στο τσιπ Sycamore της Google (en.wikipedia.org/wiki/Sycamore_processor), το οποίο διατηρείται δροσερό μέσα στον κβαντική κρυοστάτη του επεξεργαστή.} 

Ο κρύσταλλος αυτός είναι σε θέση να κινείται για πάντα μεταξύ καταστάσεων χωρίς να χάνει ενέργεια.

Οι ερευνητές που συνεργάζονται με την Google ενδέχεται να έχουν χρησιμοποιήσει τον κβαντικό υπολογιστή του τεχνολογικού γίγαντα για να δημιουργήσουν μια εντελώς νέα φάση ύλης  – έναν κρύσταλλο χρόνου.

Με την ικανότητα να εναλλάσσονται για πάντα μεταξύ δύο καταστάσεων χωρίς ποτέ να χάνουν ενέργεια, οι χρονοκρύσταλλοι αποφεύγουν έναν από τους σημαντικότερους νόμους της φυσικής, τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος δηλώνει ότι η αταξία, ή αλλιώς εντροπία, ενός απομονωμένου συστήματος πρέπει πάντα να αυξάνεται. Αυτοί οι παράξενοι χρονοκρύσταλλοι παραμένουν σταθεροί, αντιστεκόμενοι σε οποιαδήποτε διάλυση στην τυχαιότητα, παρά το γεγονός ότι υπάρχουν σε μια συνεχή κατάσταση ροής. 

Σύμφωνα με ένα ερευνητικό άρθρο που δημοσιεύτηκε στις 28 Ιουλίου στη βάση δεδομένων arXiv, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να δημιουργήσουν το χρονοκρύσταλλο για περίπου 100 δευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας qubits (qubit: η έκδοση κβαντικής πληροφορικής του παραδοσιακού bit του υπολογιστή) μέσα στον πυρήνα του κβαντικού επεξεργαστή Sycamore της Google.

Η ύπαρξη αυτής της παράξενης νέας φάσης ύλης, καθώς και η εντελώς νέα σφαίρα φυσικών συμπεριφορών που αποκαλύπτει, είναι απίστευτα συναρπαστική για τους φυσικούς, ιδιαιτέρως καθώς η ύπαρξη των χρονοκρυστάλλων προβλέφτηκε μόλις πριν από εννέα χρόνια.

«Ήταν μεγάλη έκπληξη», δήλωσε στο Live Science ο Curt von Keyserlingk, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ στο Ηνωμένο Ηνωμένο Σώμα, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Εάν ρωτούσατε κάποιον πριν από 30, 20 ή ακόμη και 10 χρόνια, δεν το περίμενε αυτό».

Οι χρονοκρύσταλλοι είναι συναρπαστικά αντικείμενα για τους φυσικούς επειδή ουσιαστικά παρακάμπτουν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, έναν από τους πιο σκληροπυρηνικούς νόμους στη φυσική. Αναφέρει ότι η εντροπία (ένα χοντρικό ανάλογο για την ποσότητα της αταξίας σε ένα σύστημα) αυξάνεται πάντα. Αν θέλετε να κάνετε κάτι πιο τακτοποιημένο, να βάλετε τάξη, πρέπει να βάλετε περισσότερη ενέργεια σε αυτό.

Αυτή η τάση για εξάπλωση της αταξίας εξηγεί πολλά πράγματα, όπως γιατί είναι ευκολότερο να ανακατέψετε τα συστατικά σε ένα μείγμα από ό, τι είναι να τα διαχωρίσετε ξανά ή γιατί τα καλώδια ακουστικών μπερδεύονται τόσο στις τσέπες των παντελονιών. Θέτει επίσης το βέλος του χρόνου, όπου το σύμπαν του παρελθόντος είναι πάντα πιο ταξινομημένο από το σύμπαν του παρόντος· η παρακολούθηση ενός βίντεο αντίστροφα, για παράδειγμα, είναι πιθανό να σας φανεί παράξενη κυρίως επειδή είστε μάρτυρες της αντίθετης αυτής της εντροπικής ροής.

^{Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι όλα τα συστήματα εξελίσσονται προς μια κατάσταση μεγαλύτερης διαταραχής, όπου η ενέργεια μοιράζεται ομοιόμορφα σε όλο το σύστημα.}  

Οι χρονοκρύσταλλοι δεν ακολουθούν αυτόν τον κανόνα. Αντί να πλησιάζουν αργά τη θερμική ισορροπία – τη «θερμοποίηση» – έτσι ώστε η ενέργεια ή η θερμοκρασία τους να κατανέμεται εξίσου σε όλο το περιβάλλον τους, κολλάνε μεταξύ δύο ενεργειακών καταστάσεων πάνω από αυτή την κατάσταση ισορροπίας, κάνοντας κύκλους μπρος και πίσω ανάμεσα στις δύο αυτές καταστάσεις επ ‘αόριστον.

Για να εξηγήσει πόσο εξαιρετικά ασυνήθιστη είναι αυτή η συμπεριφορά, ο von Keyserlingk πρότεινε να φανταστούμε ένα σφραγισμένο κουτί γεμάτο κέρματα πριν το ταρακουνήσουμε ένα εκατομμύριο φορές. Καθώς τα νομίσματα εξοστρακίζονται και αναπηδούν το ένα γύρω από το άλλο, «γίνονται όλο και πιο χαοτικά, διαμορφώνοντας όλα τα είδη των συνδυασμών που μπορούν να εξερευνήσουν» μέχρι να σταματήσει το κούνημα. Οπότε το κουτί ανοίγει για να αποκαλύψει τα νομίσματα σε τυχαία διαμόρφωση, με τα μισά περίπου νομίσματα να δείχνουν κορώνα και τα υπόλοιπα γράμματα. Και αναμένουμε να δούμε αυτή την τυχαία διαμόρφωση, με τα μισά κορώνα και τα υπόλοιπα γράμματα, ανεξάρτητα από τον τρόπο που αρχικά τακτοποιήσαμε τα νομίσματα στο κουτί.

Μέσα στο «κουτί» του Sycamore της Google μπορούμε να δούμε τα qubits του κβαντικού επεξεργαστή όπως θα κάναμε με τα νομίσματα μας. Με τον ίδιο τρόπο που τα νομίσματα ενδέχεται να είναι είτε κορώνα είτε γράμματα, τα qubits μπορούν να είναι είτε 1 είτε 0 – οι δύο πιθανές θέσεις σε ένα σύστημα δύο καταστάσεων – είτε ένα περίεργο μείγμα των πιθανοτήτων και των δύο καταστάσεων, που ονομάζονται υπέρθεση. Αυτό που είναι περίεργο με τους χρονοκρυστάλλους, λέει ο von Keyserlingk, είναι ότι καμία ποσότητα ταρακουνήματος ή αναπήδησης από τη μία κατάσταση στην άλλη δεν δύναται να μετακινήσει τα qubits του χρονοκρυστάλλου στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, η οποία είναι μια τυχαία διαμόρφωση· μπορούν μόνο να μεταπηδήσουν από την αρχική τους κατάσταση στη δεύτερη κατάστασή τους, και στη συνέχεια να επιστρέψουν ξανά στην αρχική.

«Είναι ένα είδος μετάβασης δύο σημείων», δήλωσε ο φον Κίσερλινγκκ. «Δεν καταλήγει να δείχνει τυχαίο, απλά κολλάει. Είναι σαν να θυμάται πώς έμοιαζε αρχικά και επαναλαμβάνει αυτό το μοτίβο κατά την διεύλευση του χρόνου.»

Υπό αυτή την έννοια, ένας χρονοκρύσταλλος είναι σαν εκκρεμές που δεν σταματά ποτέ να ταλαντεύεται.

«Ακόμα κι αν απομονώσεις ολότελα ένα εκκρεμές από το σύμπαν, οπότε δεν υπάρχει τριβή και αντίσταση στον αέρα, κάποια στιγμή θα σταματήσει. Και αυτό οφείλεται στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής», δήλωσε στο Live Science ο Αχιλλέας Λαζαρίδης, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Loughborough στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος ήταν μεταξύ των επιστημόνων που ανακάλυψαν για πρώτη φορά το 2015τη θεωρητική πιθανότητα της νέας φάσης. «Η ενέργεια ξεκινά συγκεντρωμένη στο κέντρο της μάζας του εκκρεμούς, αλλά υπάρχουν όλοι αυτοί οι εσωτερικοί βαθμοί ελευθερίας – όπως οι τρόποι με τους οποίους ενδέχεται να δονηθούν τα άτομα  μέσα στη ράβδο – στους οποίους τελικά θα μεταφερθεί η ενέργεια.»

Ουσιαστικά, δεν υπάρχει τρόπος ένα αντικείμενο μεγάλης κλίμακας να συμπεριφέρεται σαν χρονοκρύσταλλος χωρίς να κάτι τέτοιο να ακούγεται παράλογο, επειδή οι μόνοι κανόνες που επιτρέπουν την ύπαρξη χρονοκρυστάλλων είναι οι ανατριχιαστικοί και σουρεαλιστικοί κανόνες που διέπουν τον κόσμο της απειροελάχιστης  κβαντικής μηχανικής.

Στον κβαντικό κόσμο, τα αντικείμενα συμπεριφέρονται ταυτόχρονα τόσο σαν σωματίδια σημείου όσο και μικρά κύματα, με το εύρος των κυμάτων αυτών σε οποιαδήποτε δεδομένη περιοχή του διαστήματος να αντιπροσωπεύει την πιθανότητα εύρεσης σωματιδίου σε εκείνη τη θέση. Αλλά η τυχαιότητα (όπως τυχαία ελαττώματα στη δομή ενός κρυστάλλου ή μια προγραμματισμένη τυχαιότητα στις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των qubits) μπορεί να προκαλέσει την ακύρωση του κύματος πιθανότητας ενός σωματιδίου από τον ίδιο τον εαυτό του, παντού εκτός από μια πολύ μικρή περιοχή. Ριζωμένο στη θέση του, ανίκανο να κινηθεί, να αλλάξει καταστάσεις ή να θερμανθεί με το περιβάλλον του, το σωματίδιο τοπικοποιείται.

https://www.livescience.com/google-invents-time-crystal?jwsource=cl

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτή τη διαδικασία τοπικοποίησης ως βάση του πειράματός τους. Χρησιμοποιώντας 20 λωρίδες υπεραγώγιμου αλουμινίου  για τα qubits τους, οι επιστήμονες προγραμμάτισαν το καθένα σε μία από τις δύο πιθανές καταστάσεις. Στη συνέχεια, εκτοξεύοντας μια ακτίνα μικροκυμάτων πάνω από τις λωρίδες, κατάφεραν να οδηγήσουν τα qubits τους σε αλλάξουν κατάσταση· οι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα δεκάδες χιλιάδες φορές, σταματώντας σε διαφορετικά σημεία για να καταγράψουν τις καταστάσεις στις οποία βρίσκονταν τα qubits τους. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι το σύνολο των qubits κινούνταν μπρος πίσω μεταξύ μόνο δύο σχματισμών, και τα qubits δεν απορροφούσαν ούτε θερμότητα από τη δέσμη μικροκυμάτων – είχαν δημιουργήσει ένα χρονοκρύσταλλο.

Είδαν επίσης ένα κρίσιμο στοιχείο: ότι ο χρονοκρύσταλλός τους ήταν φάση ύλης. Για να θεωρηθεί κάτι ως φάση, συνήθως πρέπει να είναι πολύ σταθερό απέναντι σε διακυμάνσεις. Τα στερεά δεν λιώνουν εάν οι θερμοκρασίες  γύρω τους διαφέρουν ελαφρώς· oύτε οι μικρές διακυμάνσεις προκαλούν ξαφνικά εξάτμιση ή κατάψυξη των υγρών. Παρομοίως, εάν η ακτίνα μικροκυμάτων που χρησιμοποιείθηκε για να μετακινήσει τα qubits μεταξύ καταστάσεων ρυθμίστηκε να είναι κοντά αλλά ελαφρώς μακρύτερα από τους 180° (ακριβώς) που απαιτούνται για μια τέλεια αναστροφή, τα qubits ακόμα και τότε κατέληγαν στην άλλη κατάσταση.

«Δεν επρόκειτο για την περίπτωση όπου αν δεν είσαι ακριβώς στους 180 βαθμούς θα τα ανακάτευες» ανέφερε ο Λαζαρίδης. «Πάντα, με ένα μαγικό τρόπο, [ο κρύσταλλος του χρόνου] θα διορθώνει, ακόμα και αν γίνουν μικρά λάθη.»

Ένα άλλο χαρακτηριστικό της μετάβασης από τη μια φάση στην άλλη είναι η διάσπαση των φυσικών συμμετριών, η ιδέα ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για ένα αντικείμενο οπουδήποτε στο χώρο ή στο χρόνο. Ως υγρό, τα μόρια του νερού ακολουθούν τους ίδιους φυσικούς νόμους σε κάθε σημείο του διαστήματος και προς κάθε κατεύθυνση, αλλά αν παγώσουμε το νερό αρκετά ώστε να μετατραπεί σε πάγο, τότε τα μόριά του θα επιλέξουν τακτικά σημεία κατά μήκος μιας κρυσταλλικής δομής – ή πλέγματος – κατά μήκος των οποίων θα τοποθετηθούν. Ξαφνικά, τα μόρια του νερού καταλαμβάνουν σημεία στο χώρο που τους είναι επιθυμητά, αφήνοντας τα υπόλοιπα σημεία κενά:  η χωρική συμμετρία του νερού έχει αυθόρμητα σπάσει.

Με τον ίδιο πάνω κάτω τρόπο που ο πάγος γίνεται στο χώρο κρύσταλλος σπάζοντας τη χωρική συμμετρία, οι χρονοκρύσταλλοι γίνονται κρύσταλλοι στο χρόνο σπάζοντας τη συμμετρία του χρόνου. Αρχικά, πριν από τη μετατροπή τους σε φάση χρονοκρυστάλλου, η ροή των qubits θα βιώσει μια συνεχή συμμετρία μεταξύ όλων των χρονικών στιγμών. Αλλά ο περιοδικός κύκλος της δέσμης μικροκυμάτων τεμαχίζει τις σταθερές συνθήκες που βιώνουν τα qubits σε μικρά διακριτά πακέτα (καθιστώντας τη συμμετρία που επιβάλλεται από τη δέσμη ως μια διακριτή συμμετρία χρονο-μετάφρασης). Στη συνέχεια, πηδώντας μπρος-πίσω στο διπλάσιο της περιόδου του μήκους κύματος της δέσμης, τα qubits σπάνε με τη διακριτή συμμετρία χρονο-μετάφρασης που επιβάλλεται από το λέιζερ. Είναι τα πρώτα αντικείμενα που γνωρίζουμε ότι είναι σε θέση να κάνουν κάτι τέτοιο.

Όλη αυτή η παραδοξότητα κάνει τους χρονο-κρυστάλλους να υπερχειλίζουν από νέα φυσική, και ο έλεγχος που παρέχει η Sycamore στους ερευνητές πέρα από άλλες πειραματικές ρυθμίσεις θα μπορούσε να την καταστήσει ως ιδανική πλατφόρμα για περαιτέρω έρευνα. Ωστόσο, αυτό δε σημαίνει ότι δεν μπορεί να βελτιωθεί. Όπως όλα τα κβαντικά συστήματα, ο κβαντικός υπολογιστής της Google θα πρέπει να απομονωθεί τέλεια από το περιβάλλον του για να αποτρέψει την υποβολή των qubits του σε μια διαδικασία που ονομάζεται decoherence (διάλυση), η οποία τελικά διασπάει την επίδραση της κβαντικής τοπικοποίησης καταστρέφοντας τον χρονοκρύσταλλο. Οι ερευνητές εργάζονται πάνω σε τρόπους για την καλύτερη απομόνωση του επεξεργαστή τους και τον μετριασμό των επιπτώσεων της decoherence, αλλά είναι απίθανο να εξαλείψουν την επίδραση αυτή εντελώς.

Παρ’ όλα αυτά, το πείραμα της Google είναι πιθανό να παραμείνει ο καλύτερος τρόπος για τη μελέτη των χρονοκρυστάλλων χρόνου στο άμεσο μέλλον. Αν και πολλά άλλα πρότζεκτ έχουν καταφέρει να κάνουν αυτό που πειστικά φαίνεται ως χρονοκρύσταλλοι με άλλους τρόπους – με διαμάντια, υπερρευστά ηλίου-3, οιονεί σωμάτια που ονομάζονται magnons και με συμπυκνώματα Bose-Einstein  – ως επί το πλείστον οι κρύσταλλοι που παράγονται σε αυτές τις ρυθμίσεις διαλύονται πολύ γρήγορα και δεν υπάρχει χρόνος για λεπτομερή μελέτη.

Η θεωρητική φρεσκάδα των κρυστάλλων είναι κατά κάποιο τρόπο ένα δίκοπο μαχαίρι, καθώς οι φυσικοί αγωνίζονται επί του παρόντος να βρουν σαφείς εφαρμογές για 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 ισχύ επεξεργασίας.

Αλλά κατά μια άλλη έννοια, η σημαντικότερη εφαρμογή των χρονοκρυστάλλων ενδέχεται να είναι ήδη εδώ: επιτρέπουν στους επιστήμονες να διερευνήσουν τα όρια της κβαντικής μηχανικής.

«Επιτρέπει όχι μόνο να μελετήσουμε τι εμφανίζεται στη φύση, αλλά ουσιαστικά να το σχεδιάσουμε και να δούμε τι μας επιτρέπει να κάνουμε και τι όχι η κβαντική μηχανική» δήλωσε ο Λαζαρίδης. «Εάν δεν βρίσκουμε κάτι στη φύση δε σημαίνει ότι δεν μπορεί να υπάρχει – μόλις δημιουργήσαμε ένα τέτοιο πράγμα.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ΠΗΓΗ 

ΠΗΓΗ