1. Scroll
  2. /
  3. Technologia
  4. /
  5. Czym są kryształy czasowe? Czy będziemy świadkami przełomu w fizyce?

Technologia

1 miesiąc temu

Czym są kryształy czasowe? Czy będziemy świadkami przełomu w fizyce?

Nauka
4
0
0
4
0

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. 

kryształy czasowe
Źródło: focus.pl

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. 

Prawdziwe kryształy czasu
Źródło: telepolis.pl

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. 

Kryształ czasu od Google
Źródło: quantamagazine.org

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”). 

Zastosowanie kryształów
Źródło: physicsworld.com

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. 

Kryształy
Źródło: theconversation.com

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

4
0

Podziel się:

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.