Кристали часу: майбутнє квантових комп’ютерів
Нещодавно у колаборації з Google Research 106 вчених із Google Quantum AI та дев’яти провідних університетів світу (Стенфордський, Прінстонський, Каліфорнійський, Массачусетський, Чиказький університети, а також Массачусетський технологічний університет, Колумбійський університет (Нью-Йорк) та Університет Макса Планка з фізики складних систем (Німеччина)) створили перший кристал часу. Для чого він потрібен та чому це важливо для майбутніх квантових комп’ютерів – розберемося в цьому матеріалі.
Вперше ідея кристалів часу була висунута в 2012 році американським вченим та лауреатом Нобелевської премії з фізики Френком Вільчеком. Він припустив, що може існувати матерія, структура якої повторюється не в просторі, а в часі.
Мова йшла про те, що матерія в класичному розумінні має “просторову” структуру. Це означає, що молекули мають певну кристалічну решітку, де група атомів або молекул структурується в просторі.
Вільчек же припустив, що “часова” структура може мати різні стани. Для прикладу, він привів натягнутий вантаж на пружину. Якщо пружину з вантажем розтягнути, то вона буде змінювати свій стан з натягнутого на розтягнутий, та навпаки. Таким чином, структура пружини з вантажем буде повторюватися в часі.
Наступні відмінності “просторової” від “часової” структури матерії – це витрати енергії. Перша її витрачає, друга – ні. Але при цьому виникає питання – якщо вищезгадана пружина для свої коливань витрачає енергію, то яким чином кристали часу її не витрачають?
Згідно досліджень групи вчених з Британії, Нідерландів та США, в цьому полягає особливість кристалів часу. Вони мають мінімум енергії, але при цьому змінюють свій стан у часі. При цьому, енергія не задіється та не відбувається обмін енергії із зовнішнім середовищем.
Така особливість кристалів часу, згідно вже вищезгаданого дослідження, протирічить законам термодинаміки, які нам кажуть, що матерія не може змінити свій стан або почати рухатись без енергетичних витрат або без притоку енергії ззовні. Більш того, кристал часу може ігнорувати приток енергії ззовні.
Першою реакцією на такі дослідження з боку інших вчених було те, що вони назвали такі висновки фантастичними, нереалістичними та спробували розвінчати, що таке можливо.
Хоча пізніше фізики дійшли висновку, що кристали часу все-таки не порушують законів термодинаміки, адже їх енергія не змінюється через те, що не відбувається зміна стану. Через це до кристалів часу неможливо під’єднати будь-який механізм або двигун. Але вони можуть працювати всередині квантового комп’ютера.
У 2016 році вчені з університетів Меріленду, Техасу, Каліфорнії та Гарварду отримали перший практичний зразок кристалу часу. Він мав вигляд кільця з іонів ітербію, охолоджених практично до “абсолютного нуля” (-273,15о С).
Після першого успіху зі створення практичного зразку кристалу часу група досліджувачів із восьми американських університетів, університету Макса Планка з фізики складних систем у взаємодії з Google Research (проєкт Google Quantum AI) і створили кристал часу всередині квантового комп’ютера.
Цей кристал часу знаходився у вигляді групи часток, які узгоджено та періодично змінювали свій стан без витрат енергії всередині квантового комп’ютера.
В інших системах, окрім квантового комп’ютера, кристали часу поки що не працюють.
У майбутньому, на думку вчених, кристали часу можуть допомогти вирішити проблему витоку інформації з квантових систем (в першу чергу, комп’ютерів), або можна буде використовувати їх для гіроскопів та надточних годинників.
У 2019 році американська компанія IBM презентувала перший у світі серійний квантовий комп’ютер IBM Quantum System One. Він є інтегрованою системою квантових обчислень на 20 кубітів, яка розміщена в герметичному скляному кубі 9х9х9 футів, що підтримує змінні середовища.
У майбутньому використання кристалів часу в квантових комп’ютерах надасть можливість сильно зменшити використання енергії таким комп’ютером. Наразі є розробки перших дослідних моделей квантових комп’ютерів, які можуть споживати 25 кВт електроенергії на годину. Але на практиці, такі машини можуть споживати електроенергії більш ніж 2 МВт на годину.
Зважаючи на те, що квантові комп’ютери в майбутньому зможуть використовуватися для складних обчислень, в криптографії та кібербезпеці, в галузі штучного інтелекту та молекулярного моделювання, то кількість таких машин буде стрімко збільшуватись. Особливо це стосується кібербезпеки та шифрування даних.
У таких умовах, споживання енергії класичними квантовими комп’ютерами призведе до збільшення викидів парникових газів у навколишнє середовище.
І ось тут і “вийдуть на арену” квантові комп’ютери з кристалами часу, які не споживають багато енергії, але можуть виконувати операції з обчислення, яких ще не бачило людство.