Czy znasz z fizyki pojęcie kryształów czasoprzestrzennych? To dość abstrakcyjny termin, który do niedawna funkcjonował jedynie w powieściach sci-fi. Wiele jednak wskazuje na to, że udowodniono, że kryształy czasowe naprawdę istnieją. Co o nich wiemy?
Kryształy czasowe — podstawowe informacje
Ciało krystaliczne, potocznie zwane kryształem zbudowane jest z maleńkich elementów — cząsteczek, atomów lub jonów. Elementy te ułożone są w niezwykle regularny sposób we wszystkich trzech wymiarach. Zajmują one ściśle określone położenie w ciele krystalicznym — miejsce to nazywane jest węzłem sieci krystalicznej. Cząsteczki kryształu nie mogą się swobodnie przemieszczać, gdyż są uwięzione w strukturze przez elementy sąsiadujące.
Ułożenie cząsteczek w strukturze kryształu określane jest przez fizyków stanem podstawowym, czyli takim, w którym te zużywają minimalną ilość energii. Ich ewentualne ruchy to niewielkie drgania w obrębie węzłów. Kryształy w klasycznym rozumieniu są materią trójwymiarową. Kryształ czasu rozszerza to znaczenie o kolejny, czwarty wymiar — czas.
W nowym tworze cząsteczki zachowują swój stan podstawowy, jednak kryształ rotuje, zmieniając swój kształt. Co obrót kryształ czasowy jest w tym samym stanie w przestrzeni. Jednocześnie obiekt nie może wypromieniowywać energii rotacyjnej, co pozwala mu rotować i zmieniać formę w nieskończoność.
Teoria istnienia kryształów czasoprzestrzennych została zaproponowana w 2012 roku przez amerykańskiego fizyka o polskich korzeniach, laureata Nagrody Nobla, Franka Wilczka. Założenie to było początkowo wielokrotnie podważane, gdyż nie znaliśmy do tej pory układów ciał, które były w stanie poruszać się w stałym ruchu okresowym w stanie najniższej energii bez popadania w entropię.
Zobacz: Podróżowanie w czasie – czy to możliwe? Przykłady za i przeciw możliwościom podróży w czasie
Już w 2015 roku profesor Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, po szeregu badań swojego zespołu, wskazał na istnienie układu atomów, który okresowo zaburzany siłami zewnętrznymi może zachowywać się jak dyskretny kryształ czasoprzestrzenny. W 2017 roku doniesiono o pierwszych obserwacjach prawdziwych kryształów czasu.
Fizycy z uniwersytetu w Maryland stworzyli układ dziesięciu zjonizowanych atomów iterbu (mało znanego pierwiastka w układzie okresowym), na który zaczęto oddziaływać laserami. Lasery dały impuls do wprawienia w ruch atomy iterbu, który jednak był na tyle mały, że nie zaburzył stanu podstawowego. Atomy zaczęły się poruszać cyklicznie, nie tracąc przy tym energii. Potwierdzono w ten sposób empirycznie teorię Wilczka i stworzono pierwszy, jeszcze dyskretny, kryształ czasoprzestrzenny.
Czy naukowcy we współpracy z Google stworzyli kryształ czasu?
W 2021 roku opublikowano pierwsze doniesienia potwierdzające stworzenie pierwszych kryształów czasowych przy wykorzystaniu potężnego komputera kwantowego. Za projektem stoją naukowcy z uniwersytetów Stanford oraz Princetown współpracujący z Google.
Do stworzenia układu kryształu czasowego został wykorzystany potężny komputer kwantowy Sycamore od Google. Na kryształ składało się dziesięć kubitów (bit jest najmniejszą jednostką informacji; kubit to w dużym uproszczeniu trójwymiarowy, kwantowy bit) ułożonych w jednakowej orientacji magnetycznej (tzw. spinie), które zostały wprawione w ruch za pomocą energii laserowej.
Ruch ten został zachowany mimo zaprzestania oddziaływania na układ laserem. Co ważne, kryształ nie tracił energii podczas zmiany swej struktury. Informacje te są jeszcze na etapie preprintów — nie zostały w pełni sprawdzone. Do takich przełomowych newsów wciąż trzeba podchodzić bardzo ostrożnie, gdyż mogą zostać całkowicie podważone. Nie zmienia to jednak faktu, że jeśli nie teraz, to w niedalekiej przyszłości istnienie kryształów czasowych może stać się faktem.
Jakie zastosowanie może mieć to odkrycie?
Kryształy od wieków fascynowały ludzkość. W XIX wieku zostały dokładniej zbadane pod kątem ich oddziaływania na światło. W ubiegłym stuleciu dalsze badania w zakresie fizyki kwantowej doprowadziły do wynalezienia rewolucyjnych w tamtym czasie przyrządów półprzewodnikowych, co było podstawą obecnej rewolucji technologicznej.
Odkrycie kryształów czasoprzestrzennych otwiera nowy rozdział w rozwoju technologii. Podstawowym zastosowaniem kryształów czasu byłby rozwój komputerów kwantowych oraz stworzenie jeszcze dokładniejszego wzorca czasu.
Obecne komputery kwantowe, mimo że ich wydajność jest wielokrotnie większa w porównaniu do najmocniejszych komputerów tradycyjnych, są bardzo niestabilne. Ich działanie opiera się o wspomniane wcześniej kubity — cząstki elementarne (fotony lub elektrony) występujące jednocześnie w dwóch odmiennych stanach w przestrzeni („0” lub „1”).
Układ kubitów wchodzący w skład komputera kwantowego, w wyniku ewolucji swego stanu, daje rozwiązanie złożonego problemu obliczeniowego. Komputery kwantowe nie pozwolą na rozwiązywanie nowej klasy zagadnień, jednak obecne problemy mogą zostać rozwikłane w wielokrotnie szybszy sposób. Podstawową wadą komputerów kwantowych jest ich niestabilność.
Kubity funkcjonują w zamkniętym układzie i jakakolwiek ingerencja z zewnątrz zaburza ich stan i wpływa bezpośrednio na wynik obliczeń. Aby zachować stabilność układów kwantowych w superkomputerze, konieczne jest utrzymywanie temperatury bliskiej zera bezwzględnego (-273°C), prawie całkowitej próżni oraz ekranowania zewnętrznego oddziaływania magnetycznego.
Widać więc, że utrzymanie optymalnego stanu pracy układu komputera kwantowego jest bardzo trudne, a co za tym idzie — bardzo drogie. Tymczasem trwają badania sprawdzające zastosowanie komputerów kwantowych do optymalizacji strategii handlowych i giełdowych (JP Morgan, jeden z największych holdingów finansowych na świecie), poprawie procesów produkcyjnych i zarządzania flotą autonomicznych pojazdów (Daimler, niemiecki producent samochodowy, odpowiedzialny m.in. za markę Mercedes), działaniu półprzewodników (Samsung, znany wszystkim innowacyjny producent elektroniki użytkowej), czy zastosowania w chemii i fizyce (indyjski producent JSR).
Głównym ograniczeniem użycia komputerów kwantowych opartych na kubitach jest właśnie niestabilność układów i cena. Zastosowanie bardziej stabilnych i przewidywalnych układów kryształów czasoprzestrzennych mogłoby być prawdziwym przełomem w rozwoju komputerów kwantowych. A do czego Wy wykorzystalibyście taki komputer?
Źródło obrazka głównego: phys.org
Komentarze 
„Komputery kwantowe nie pozwolą na rozwiązywanie nowej klasy zagadnień,..” i tu się Autor myli, komputery kwantowe nie tylko szybciej „lecą” ale są w stanie rozwiązywać badania, których tradycyjne komputery nie są w stanie nawet „ugryźć”. Proszę poczytać, polecam Michio Kaku „Kwantowa dominacja” na początek.
Do pasjansa, albo sapera
Do sprawdzenia ile FPS miałbym w Minecrafcie.
Do ochrony zdrowia i życia ludzkiego oraz ochrony przyrody.