Китайцы создают вечный двигатель, поймав «кота Шредингера»

На фото: даже если вы не квантовый физик, вы наверняка слышали о знаменитом коте Шрёдингера. В мысленном эксперименте 1935 года Эрвин Шредингер предположил, что кошки могут быть живыми и мертвыми одновременно. Очевидно, это очень противоречиво. (Фото: zhuanlan.zhihu.com)

Китайские физики сумели поставить очередной рекорд: они вырастили крупнейшего в мире «кота Шредингера» — мысленный эксперимент, предложенный одним из создателей квантовой механики Эрвином Шрёдингером в 1935 году при обсуждении физического смысла волновой функции. Используя кристалл размером с песчинку, ученые поместили его в квантовую суперпозицию, что позволило кристаллу одновременно колебаться в двух разных направлениях.

Кристалл в триллионы раз тяжелее молекул, использовавшихся в предыдущих подобных экспериментах. Более того, этот кристалл виден невооруженным глазом, что делает его самым тяжелым объектом в мире, демонстрирующим квантовые эффекты.

Ученые надеются, что их кристаллический «кот Шредингера» поможет им разработать более надежные квантовые компьютеры и лучше понять причины, по которым квантовые эффекты не наблюдаются в реальном мире.

Кроме того, квантовые кристаллы могут стать датчиками темной материи — таинственного вещества, наполняющего нашу Вселенную. Есть множество теорий происхождения темной материи. Одна из них: это субатомные частицы (например, аксионы и скрытые фотоны), взаимодействующими с обычной материей через слабое электромагнитное поле. Присутствие темной материи может привести к заметному колебанию кристалла.

Законы термодинамики и механики в квантовом мире «выключили»

Экспериментируют китайские ученые и с «кристаллами времени». Они способны подпитывать энергией квантовые суперкомпьютеры и могут иметь огромный потенциал в развитии новых вычислительных технологий.

Кристалл времени состоит из атомов, расположенных в повторяющемся порядке. Исследователи используют квантовые компьютеры для создания такого кристалла. С помощью алгоритмов достигнуто вращение кубитов (это наименьшая единица информации в квантовом мире) в двух направлениях, что позволило создать управляемую реакцию. В теории такая реакция может быть бесконечной.

Создание кристалла времени имеет значительное значение для развития квантовых компьютеров. Кубиты в таких компьютерах чувствительны к внешним воздействиям и повышению температуры, что может привести к их разрушению.

Однако кристалл времени обладает способностью менять форму со временем, не перегреваясь и не теряя энергии. Это может решить проблему сохранения стабильности квантовых систем и обеспечить их практически бесконечной энергией.

Фактически, китайцы на пути создания вечного двигателя. Концепция кристаллов времени вызывает интерес с точки зрения физики, поскольку они нарушают некоторые законы, такие как второй закон термодинамики (закон необратимости теплопередачи) и первый закон механики Ньютона (закон инерции).

Но и это еще не время. Кристаллы времени нарушают еще и симметрию перемещения во времени — а это противоречит представлению о стабильности объектов во времени.

Китайцы создали новую форму материи: механические часы без часового механизма

Существование временных кристаллов предсказал еще нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек. Еще в 2012 году он начал задаваться вопросом, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть из-за случайных взаимодействий между элементами системы), и возможно ли, чтобы это произошло.

Позднее именно китайцы стали пионерами в создании кристаллов времени, которые по сути представляют собой механические часы без часового механизма. То есть они не производят реальной работы, а потому вечным двигателем могут называться с натяжкой. По крайней мере, пока.

Исследователи из разных стран создавали временные кристаллы в микромасштабе при низких температурах.

Однако создание «китайского кристалла» с использованием квантового компьютера — это не просто шаг, а прыжок вперед. В лаборатории такой кристалл существует лишь ничтожные доли секунды, но это время удастся удлинить. Более стабильные кристаллы времени смогут существовать на протяжении миллионов и даже миллиардов циклов движения.

Такие кристаллы времени нужны для функционирования квантовых компьютеров. Тех самых, с помощью которых такие кристаллы и прогнозируют. И это тоже похоже на вечный двигатель: компьютер проектирует деталь, которая делает его более совершенным — и так до бесконечности.

Квантовые вычисления открывает новые возможности в различных областях, таких как криптография, материаловедение, фармацевтика (предсказание структуры лекарств), метеорология (предсказание погоды).

Есть и другое практическое применение для кристаллов времени. Например, датчики сверхтока. Дефекты в алмазе уже используются для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей. Но у этого подхода есть свои ограничения, потому что, когда слишком много дефектов «переполняют» небольшой объем, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния.

В кристалле времени, напротив, система стабилизирована, поэтому миллионы дефектов могут быть использованы вместе для усиления сигнала и изучения живых клеток и материалов атомарной величины.

Наконец, созданные китайцами кристаллы времени фактически меняют традиционное представление человека о времени. Грань между прошлым, настоящим и будущим стирается. А значит, мы стали на ступеньку ближе к созданию машины времени.

Очевидно одно: кристаллы времени — это новая форма материи, которую еще предстоит изучить.

— Это новый вид порядка, который считался невозможным, — говорит Ведика Хамани из Гарварда.

Дмитрий Капустин