Google prý v kvantovém počítači vytvořil časový krystal. Divnější, než si dokážete představit  

Pokud vám pojem „časový krystal“ zní docela sci-fi, je to proto, že opravdu je. Časové krystaly nejsou nic menšího než nová „fáze hmoty“, která je již několik let teoretizována jako nový stav, který by se mohl potenciálně připojit k řadě pevných látek, kapalin, plynů, krystalů a tak dále.

Časové krystaly je těžké najít. Vědci Googlu ale nyní tvrdí, že jejich výsledky zavádějí škálovatelný přístup ke studiu časových krystalů na současných kvantových procesorech. Pochopení toho, proč jsou časové krystaly zajímavé, vyžaduje trochu znalostí z fyziky. Zejména znalost druhého termodynamického zákona, který uvádí, že systémy se přirozeně usazují ve stavu známém jako „maximální entropie“.

Vezměme si příklad: pokud do šálku kávy nalijete trochu mléka, mléko se nakonec rozpustí v celé kávě, místo aby „sedělo“ nahoře, což umožní systému dosáhnout rovnováhy. Tato snaha o tepelnou rovnováhu, jak je popsána ve druhém zákonu termodynamiky, odráží skutečnost, že všechny věci mají tendenci směřovat k méně užitečným, náhodným stavům. Jak čas plyne, systémy nevyhnutelně degenerují do chaosu a nepořádku, tedy do entropie. Časové krystaly se naopak nedokáží usadit v tepelné rovnováze. Místo toho, aby pomalu degenerovaly k náhodnosti, uvízly ve dvou vysokoenergetických konfiguracích, mezi nimiž přepínají.

Představte si malý experiment. Vezměte krabici v uzavřeném systému, který je izolován od zbytku vesmíru, vložte do ní pár desítek mincí a milionkrát s ní zatřeste. Jak se mince navzájem překlápějí, padají a odrážejí, náhodně přesouvají pozice a jsou stále chaotičtější. Po otevření krabice se očekává, že zhruba polovina mincí je lícem navrch a druhá polovina rubem navrch. Nezáleží na tom, zda experiment začal s více mincemi lícem či rubem navrch. Systém zapomíná, jaká byla počáteční konfigurace, a jak se otřásá, stává se stále více nahodilým a chaotickým.

Tento uzavřený systém, když je přeložen do kvantové domény, je dokonalým prostředím pro pokus o nalezení časových krystalů a jediným dosud známým. Kvantový procesor Sycamore, je dobře známý tím, že dosáhl kvantové převahy a nyní hledá nějaký druh užitečné aplikace pro kvantové počítače. Kvantový procesor je podle definice dokonalým nástrojem pro replikaci kvantově mechanického systému. V tomto scénáři tým Googlu reprezentoval mince v krabici qubity točícími se nahoru a dolů v uzavřeném systému a místo zatřesení krabicí použil sadu konkrétních kvantových operací, které mohou změnit stav qubitů. Zde časové krystaly vzdorují všem očekáváním. Pohled na systém po určitém počtu operací nebo otřesů odhalí konfiguraci qubitů, která není náhodná, ale vypadá spíše podobně jako původní nastavení.

Zatřeste systémem sudým počtem opakování a získáte podobnou konfiguraci jako původní. Ale zatřeste lichým a získáte další nastavení, ve kterém jsou „mince“ přesně obráceně. A bez ohledu na to, kolik operací je v systému prováděno, vždy se bude překlápět a bude se pravidelně pohybovat tam a zpět mezi těmito dvěma stavy. Vědci tomu říkají zlom symetrie času.

Chování časových krystalů je z vědeckého hlediska fascinující, na rozdíl od všech ostatních známých systémů nesměřují k nepořádku a chaosu. Na rozdíl od mincí v krabici, které jsou všechny „zmatené“ a usazují se zhruba půl na půl, narušují zákon entropie tím, že uvíznou ve zvláštním, časově krystalovém stavu. Jinými slovy, vzdorují druhému zákonu termodynamiky, který v podstatě definuje směr, kterým se ubírají všechny přírodní události.

Takové speciální systémy není snadné pozorovat. Časové krystaly jsou tématem zájmu od roku 2012, kdy o nich začal přemýšlet profesor MIT a držitel Nobelovy ceny Frank Wilczek. Teorie byla od té doby mnohokrát vyvrácena, diskutována a protiřečena. Bylo provedeno několik pokusů k vytvoření a pozorování časových krystalů, k dnešnímu dni s různou mírou úspěchu. Minulý měsíc tým z Delft University of Technology v Nizozemsku zveřejnil výzkum, který ukazuje, že postavili časový krystal v diamantovém procesoru, i když menší než je ten od Googlu.

Vědci z Googlu použili čip s 20 qubity, aby sloužil jako časový krystal. Pomocí notebooku je docela snadné simulovat kolem 10 qubitů. Přidejte ale více, a limity současného hardwaru budou brzy naplněny. Každý další qubit totiž vyžaduje exponenciální množství paměti. Vědci se zastavili u tvrzení, že tento nový experiment je ukázkou kvantové nadvlády. Jde o doposud nejpřesvědčivější experimentální ukázku časového krystalu.

Rozsah experimentu Googlu ukazuje, že je možné se na časové krystaly dívat jinak, provádět podrobné sady měření a měnit velikost systému. Jinými slovy, je to užitečná demonstrace, která by mohla skutečně posunout vědu vpřed. Ovšem jako všechny kvantové počítače i procesor Googlu stále trpí dekoherencí, která může způsobit rozpad v kvantových stavech qubitů a znamená, že oscilace časových krystalů nevyhnutelně zanikají, protože prostředí zasahuje do systému. Výzkum však tvrdí, že jakmile se procesor stane účinněji izolovaným, lze tento problém zmírnit.

Jedna věc je jistá. Časové krystaly se neobjeví v našich obývácích nijak brzy, protože vědci pro ně teprve najdou definitivní užitečnou aplikaci. Je proto nepravděpodobné, že by experiment společnosti Google zkoumal obchodní hodnotu časových krystalů. Spíše ukazuje, co by potenciálně mohlo být další velkou věcí v aplikacích kvantové výpočetní techniky.

ZDROJ