Kryształy powstają, gdy atomy tworzą powtarzające się, regularne struktury. Niemal dekadę temu, w 2012 roku, fizyk Frank Wilczek wpadł na pomysł, że struktura może powtarzać się nie tylko w przestrzeni. Mogłaby również w czasie. Nazwał to „kryształem czasoprzestrzennym” („time crystal”).
Taki twór miałby niezwykłą właściwość. Jego struktura powtarzałaby się w czasie, czyli wykazywała okresową, regularną zmienność. Nie wymagałaby przy tym dostarczania energii ani jej nie uwalniała. Byłby to wyjątkowy przypadek fizyczny. Zwykle, żeby zmienić strukturę czegoś, trzeba energii dostarczyć.
Wilczek musiał się wielokrotnie tłumaczyć, że jego pomysł nie ma nic wspólnego z perpetuum mobile, czyli maszyną, która porusza się wiecznie bez dostarczania energii. Zabraniają tego prawa fizyki – a szczególnie nieubłagane są zasady termodynamiki. Energia nie może pochodzić z niczego, a taką maszynę zatrzymałoby tarcie i opór powietrza. W końcu zatrzymałaby się, a wprawić ją w ruch można by tylko dostarczając energii.
W świecie kwantów jest to jednak bardziej możliwe. W odpowiednim stanie (na przykład temperaturach bliskich zera bezwzględnego) zjawiska tarcia, lepkości, czy oporu przestają istnieć.
„Czasoprzestrzenny kryształ” w rękach naukowców
Koncepcja była przedmiotem żywych rozważań teoretyków. Kilka zespołów próbowało takie kryształy stworzyć. Na próżno. Zwykle okazywało się, że nie spełniają najważniejszego warunku – ich utrzymanie wymagało dopływu energii lub taki układ energię tracił. Nie były więc „kryształami czasoprzestrzennymi”.
W marcu tego roku polsko-niemiecka grupa badaczy po raz pierwszy w historii zdołała stworzyć w temperaturze pokojowej kryształ czasowy i nawet go sfilmować. Nie był jednak zbudowany z fizycznych cząstek, lecz tak zwanych kwazicząstek: magnonów. Naukowcy w wielu laboratoriach eksperymentują z takimi kwazicząstkami i marzą o „time crystals” Wilczka.
Teraz stworzenie prawdziwych „kryształów czasoprzestrzennych” udało się badaczom z Uniwersytetu Stanforda, MIT oraz Google’a. Zbudowali taki układ wewnątrz komputera kwantowego Sycamore, który Google skonstruowało dwa lata temu. Wilczek przyznaje, że spełnia on definicje „kryształu czasoprzestrzennego”.
Wykorzystano do tego dwadzieścia kubitów, elementów kwantowego komputera, czyli cząstek utrzymywanych w odpowiednim stanie. Zestrojono je tak, by ich spiny (to opisująca cząstki cecha, która może przyjmować stan „w dół” lub „do góry”) były skorelowane, czyli zmieniały się jednocześnie. Potem delikatnie wytrącono je z kwantowego stanu za pomocą lasera. Badacze wykazali, że taki układ w kółko zmienia swoje spiny, w tę i z powrotem, nie pobierając energii ani jej nie tracąc. Jest więc „czasoprzestrzennym kryształem”.
Do czego się przydadzą?
W tej chwili raczej nie ma to praktycznego znaczenia dla nikogo, kto nie jest fizykiem kwantowym lub inżynierem pracującym przy kwantowych komputerach. Czyli dla olbrzymiej większości z nas. Frank Wilczek żartuje, że osiągnięty stan kwantowego komputera przypomina ten, gdy procesor zwykłego komputera natrafia na pętlę kodu i się zawiesza. Według niego takie czasoprzestrzenne kryształy mogą być „ciekawym przypadkiem usterki kwantowych komputerów”.
Dodaje jednak, że podobne układy mogą znaleźć zastosowanie w ulepszaniu kwantowych maszyn. Stabilność takich kryształów jest bardzo krucha, więc mogą stanowić też bardzo czułe układy pomiarowe przy wykonywaniu eksperymentów fizycznych.
Wbrew niektórym sensacyjnym nagłówkom, kryształy czasoprzestrzenne nie pozwolą na wykonywanie pracy bez dostarczania energii. Nie łamią też żadnych znanych praw fizyki. Takie układy mogą istnieć tylko w odpowiednim, odizolowanym od otoczenia stanie. Inaczej natychmiast tracą swoje niezwykłe, kwantowe własności.
Gdyby odłączyć układ chłodzenia kwantowego komputera, który utrzymuje go w temperaturze ułamka stopnia powyżej zera bezwzględnego, kryształ czasu szybko by stopniał. Zaś z tego samego powodu, dla którego nie da się schłodzić kuchni, otwierając drzwi lodówki, kryształ nie może wykonać żadnej użytecznej pracy.
Źródło: MIT Technology Review, New Scientist, ArXiv.