Google Quantum AI – Χρονοκρύσταλλοι και κβαντικοί επεξεργαστές

Οι κβαντικοί υπολογιστές μας επιτρέπουν να πραγματοποιήσουμε δύσκολες υπολογιστικές εργασίες και επιπλέον μας βοηθούν να ξανασκεφτούμε τις θεμελιώδεις αρχές της φυσικής. Αυτό συμβαίνει γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές μοιράζονται την ισχύ της κβαντικής μηχανικής – ένα πεδίο της φυσικής που εξηγεί πώς ο φυσικός κόσμος γύρω μας λειτουργεί σε υποατομικό επίπεδο.

Προφανώς ακόμη βρισκόμαστε πολύ μακριά από το να κατασκευάσουμε κβαντικούς υπολογιστές που θα μπορούν να αποτελέσουν πραγματικά χρηστικά αντικείμενα. Ωστόσο, η ομάδα Google Quantum AI ήδη «τρέχει» μια σειρά καινοτόμα πειράματα χρησιμοποιώντας τους κβαντικούς επεξεργαστές που έχουμε σήμερα στη διάθεσή μας. Ένα συγκεκριμένο πείραμα είναι και αυτό που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature και αφορά ένα νέο «υλικό»: τον χρονοκρύσταλλο.

Οι επιστήμονες διατυπώνουν για χρόνια θεωρίες σχετικά με την πιθανότητα ενός χρονοκρυστάλλου συνήθως μαζί με το ερώτημα αν κάτι τέτοιο θα μπορούσε να αποτελέσει αντικείμενο παρατήρησης. Η ομάδα εργασίας της Google υποστηρίζει ότι ο κβαντικός επεξεργαστής της εταιρείας, ο Sycamore, κάνει αυτή την πιθανότητα πραγματικότητα.

Τι είναι ο χρονοκρύσταλλος

Οι χρονοκρύσταλλοι είναι παρόμοιοι με τους κανονικούς κρυστάλλους στο ότι βασίζονται σε δομές ατόμων που επαναλαμβάνονται. Αντί να επαναλαμβάνονται όμως σε τρεις διαστάσεις του χώρου, αυτές αλλάζουν σε ένα καθορισμένο μοτίβο με την πάροδο του χρόνου.

Προφανώς ο όρος ακούγεται σαν βγαλμένος από τις σελίδες μυθιστορήματος επιστημονικής φαντασίας, ωστόσο η ομάδα Google Quantum AI τονίζει ότι πρόκειται για κάτι που έχει ήδη επιδειχθεί και υπάρχει η πιθανότητα να γίνει αντικείμενο παρατήρησης.

Οι πιο γνωστοί κρύσταλλοι είναι τα διαμάντια, τα σμαράγδια και το αλάτι. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, όλα αυτά είναι κατασκευασμένα από επαναλαμβανόμενα μοτίβα – πολλαπλές στρώσεις ατόμων τα οποία τελικά σχηματίζουν μία φυσική δομή. Για παράδειγμα, ένας κόκκος αλατιού είναι φτιαγμένος από άτομα νατρίου και χλωρίου. Ένας χρονοκρύσταλλος είναι παρεμφερής αλλά αντί να σχηματίζει επαναλαμβανόμενα μοτίβα στο χώρο, σχηματίζει μοτίβο που ταλαντεύεται στο χρόνο.

Το ενδιαφέρον παράδειγμα της Google

Για να γίνει κατανοητός ο χρονοκρύσταλλος, η Google έδωσε ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα. Έστω ότι λαμβάνουμε φωτογραφίες ενός πλανήτη και του φυσικού δορυφόρου του. Αυτές οι φωτογραφίες θα φαίνονταν όλες σχεδόν όμοιες με τον δορυφόρο του πλανήτη να επαναλαμβάνει την τροχιά του συνεχώς.

Τώρα έρχεται η υπόθεση. Ας πούμε ότι υπάρχουν εκατοντάδες νέοι δορυφόροι που προστίθενται σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη. Κάθε δορυφόρος που μπαίνει σε τροχιά ασκεί βαρυτική έλξη στους υπόλοιπους. Με το πέρασμα του χρόνου οι φυσικοί δορυφόροι θα άρχιζαν να εκτρέπονται από τις τροχιές τους χωρίς ωστόσο να επιστρέφουν πίσω στο σημείο εκκίνησης. Αυτή η διαταραχή είναι αναπόφευκτη βάσει του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

Ακολουθεί το ερώτημα. Τι θα συνέβαινε εάν υπήρχε ένα σύστημα ενός πλανήτη και πολλών δορυφόρων όπου αυτοί θα μπορούσαν περιοδικά να επαναλαμβάνουν τις τροχιές τους, χωρίς όμως να αυξάνουν την εντροπία, δηλαδή την διαταραχή; Αυτός ο συνδυασμός θα μπορούσε να θεωρηθεί ένας χρονοκρύσταλλος – αν και προφανώς είναι εξαιρετικά δύσκολο να αποδειχθεί.

Ένας κβαντικός επεξεργαστής για την παρατήρηση ενός χρονοκρυστάλλου

Τα κβαντικά αντικείμενα συμπεριφέρονται όπως τα κύματα, με έναν τρόπο παρεμφερή με τον τρόπο που ένα σόναρ χρησιμοποιεί τα κύματα του ήχου που αντανακλούν πάνω σε στέρεα αντικείμενα ώστε να τα αναγνωρίζει. Εάν το μέσο στο οποίο «ταξιδεύει» ένα κβαντικό κύμα περιέχει πολλά εμπόδια διασκορπισμένα, τότε το κύμα θα μπορούσε να περιοριστεί και κάποια στιγμή να σβήσει εντελώς.

Αυτή η βασική ιδέα για τα κβαντικά κύματα είναι αυτό που βάζει ένα όριο στην εξάπλωση της εντροπίας και επιτρέπει την παραγωγή ενός σταθερού χρονοκρυστάλλου, παρόλο που φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με την Google κάπου εκεί μπαίνει στην εξίσωση ο κβαντικός της επεξεργαστής.

Στη μελέτη που δημοσιεύτηκε περιγράφεται επακριβώς πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο επεξεργαστής Sycamore σαν ένα κβαντικό σύστημα παρατήρησης τέτοιων ταλαντευόμενων χρονοκρυστάλλων κυματικών μοτίβων

Το αποτέλεσμα

Η παρατήρηση των χρονοκρυστάλλων δείχνει πώς οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη επιστημονικών φαινομένων που προβληματίζουν τους επιστήμονες για χρόνια. Η μετακίνηση από τη θεωρία στην παρατήρηση αποτελεί ένα κρίσιμο άλμα και ίσως θεμέλιο για νέες επιστημονικές ανακαλύψεις. Προφανώς ανοίγει η πόρτα για πολλαπλά πειράματα, όχι μόνο σε επίπεδο φυσικής, τα οποία ενδέχεται να εμπνεύσουν και να οδηγήσουν σε μελλοντικές κβαντικές εφαρμογές σε πολλά διαφορετικά πεδία ενδιαφέροντος.