Być może naukowcy z Google'a właśnie odkryli kryształy czasu. Konsekwencje mogą być niesamowite

Prawidłowa nazwa to kryształ czasoprzestrzenny lub kryształ czasowy. Jest to teoretycznie możliwa struktura czasoprzestrzenna, która została zaproponowana w 2012 r. przez laureata Nagrody Nobla Franka Wilczeka. Podobnie jak „zwykłe” kryształy mają powtarzalną strukturę w przestrzeni, tak ten powtarza się cyklicznie - ale w czasie. Ze względu na swoją strukturę nie ma możliwości utraty energii i, zmieniając swoją strukturę cyklicznie, zachowuje się jak perpetuum mobile. Porównanie do kryształów jest nieuniknione - podobnie jak atomy w niektórych warunkach „preferują” ustawianie się w strukturę krystaliczną, tak kryształy czasowe ustawiałyby taką strukturą, ale w dodatkowym wymiarze - w czasie.

Od tamtego czasu kryształy czasoprzestrzenne pozostają pod lupą naukowców i wielu z nich próbuje znaleźć zarówno ich teoretyczne zastosowanie, jak i doświadczalne potwierdzenie możliwości ich istnienia. Ich zachowanie może doprowadzić do wielu nieoczekiwanych odkryć - w końcu zaprzecza ono zasadom termodynamiki, które opisują świat dążący do rozproszenia energii i wzrostu entropii.

Najważniejszą cechą kryształów czasowych jest ich zdolność do pozostawania w stanie podstawowym przy jednoczesnym utrzymywaniu zmienności w czasie. Owa okresowa zmienność nie wymaga dostarczenia żadnej energii z układu, ani nie powoduje utraty energii (o utracie nie może być mowy, bowiem atomy pozostają już w stabilnym najniższym stanie energetycznym).

Już sama ta cecha sprawia, że są one iście fascynujące dla naukowców. Jakby nie patrzeć układ charakteryzujący się zmianami w czasie, który jednocześnie nie powoduje wzrostu entropii układu (spadku stopnia jego uporządkowania) jest czymś wyjątkowym.

Jednym z podstawowych zastosowań kryształu czasoprzestrzennego byłyby komputery kwantowe.

Problemem do rozwiązania w budowie komputera kwantowego jest uzyskanie koherencji, czyli stabilności układu kwantów. Stabilność ta jest naruszana nawet przy obserwacji stanu układu kwantowego. Tego typu koherencja była uzyskiwana jedynie w bardzo trudnych warunkach (typu użycie laserów o ogromnej mocy, przy równoczesnym utrzymywaniu niskiej temperatury).

Tutaj z pomocą może przyjść może kryształ czasoprzestrzenny: teoretycznie może zamknąć on elektrony w swojej oscylacji bez zużywania energii. Pozwoli to na zmierzenie stanu układu kwantowego bez naruszania koherencji.

W przesłanym do publikacji raporcie Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor naukowcy z Google wykazali, że jesteśmy w stanie wytworzyć kryształy czasoprzestrzenne w warunkach laboratoryjnych. W każdym razie potencjalnie, bo w tej chwili praca zostanie poddana procesowi peer review, zanim zostanie oficjalnie opublikowana.

Jeśli badania naukowców z Google i współpracujących z nimi się potwierdzą, to ta istniejąca teoretycznie faza termodynamiczna układu fizycznego może okazać się rzeczywista. Należy sobie zdawać sprawę, że jest to jeden zaledwie początek drogi do zastosowań praktycznych.

Jednak patrząc optymistycznie, jest to jeden z kroków, który umożliwi wytworzenie dużych, działających komputerów kwantowych o prawdziwie praktycznych zastosowaniach. A to zmieni bardzo wiele.

Procesor Sycamore komputera kwantowego stworzonego przez Google może posiadać wszystkie niezbędne komponenty do stworzenia kryształów czasowych. Komputery kwantowe składają się z kontrolowanych przez operatorów cząstek kwantowych, które przyjmują dwa dyskretne stany. Programiści korzystający z nich są w stanie wpływać na związki między poszczególnymi kubitami tak, aby utworzyć układy wielu cząstek, których stan zmienia się w tym samym czasie.

Jeżeli spin takiej jednej cząstki może przyjąć wartość 0 lub 1, to działając na oddziaływania między cząstkami można stworzyć układ, w którym kolejne cząstki będą miały spin np. 1-0-0-1. Jeżeli uda się je wprawić w ruch, oddziałując na taki układ mikrofalami, można sprawić, że zmienią one spin na przeciwny. W efekcie układ zamieni się w 0-1-1-0, po czym ponownie zamieni się w 1-0-0-1.

W ten sposób układ staje się kryształem czasowym, który przyjmuje okresowo dwa różne stany. Najciekawsze jednak jest to, że układ cząstek nie pochłania, ani nie emituje żadnej energii pochodzącej z lasera mikrofalowego, dzięki czemu entropia układu się nie zmienia.

Problem polega na tym, że istnienie prawdziwych kryształów czasowych jak na razie stanowi zupełnie nową przestrzeń w fizyce. Można powiedzieć, że odkrycie jest na tyle nowatorskie, że sami autorzy wciąż nie są pewni czy faktycznie udało im się stworzyć takie kryształy i jakie będzie miało to konsekwencje dla rozwoju chociażby komputerów kwantowych.

Wybiegając w przyszłość, wielu badaczy jest przekonanych, że komputery kwantowe opierające się o kryształy czasowe, stanowią kolejne stadium rozwoju po samych komputerach kwantowych.