Googles kvantebrikke er et tidskrystall – og nesten en evighetsmaskin

Tidskrystaller er kalt fysikkens nyeste merkverdighet. Denne merkverdigheten har nå vist seg å forekomme i kvantebrikken Sycamore fra Google, ifølge et forskningsresultat som ble offentliggjort for noen måneder siden.

Forskningen etterfølges nå av en artikkel i PRX Quantum, der noen av forskerne bak Googles eksperiment mer presist beskriver hvorfor nettopp en kvantebrikke er spesielt egnet til å være et tidskrystall.

Tidskrystaller er et forskningsfelt som ikke engang eksisterte for ti år siden. Allerede noen få år etter fødselen ble det dømt nord og ned, men det har fått ny oppmerksomhet de siste to-tre årene.

Tidskrystaller forholder seg til et av fysikkens nøkkelbegreper: time translation symmetry (tidstranslasjonssymmetri).

Det handler om det faktum at de fysiske lovene er de samme til enhver tid (tyngdeloven er den samme i morgen som den er i dag og som den var i går), på samme måte som romtranslasjonssymmetrien viser at de fysiske lovene er like overalt (tyngdeloven er den samme på jorden som på Mars).

Men det er velkjent at symmetrier kan brytes. Et krystall er for eksempel et brudd på romtranslasjonssymmetrien, ettersom atomer eller molekyler ikke kan lokaliseres overalt, men bare på punktene i krystallgitteret.

Og mens tid og rom mange steder i fysikken, for eksempel i relativitetsteorien, opptrer på like fot, er tid og rom helt separate størrelser i termodynamikk.

Spørsmålet er hva det gir av muligheter for brudd på tidstranslasjonssymmetrien.

Med andre ord, kan man lage et system som ikke er det samme til enhver tid, men som gjentar seg periodisk i tid, slik en krystall gjentar seg periodisk i rommet?

Det korte svaret på disse spørsmålene er at det nye eksperimentet med Googles kvantebrikke bekrefter at tidskrystaller eksisterer og kan studeres – om enn i en spesiell form.

Minner om evighetsmaskiner

Hva man kan bruke slike tidskrystaller til, har forskere først i det siste begynt å spekulere på. I tillegg til at de er en fascinerende kuriositet, beskrev en japansk forskningsgruppe i Science Advances i fjor mer detaljert hvordan slike krystaller kunne brukes i simuleringer av kvantefenomener.

Når Googles eksperiment har fått ekstra stor internasjonal oppmerksomhet, er det sannsynligvis særlig fordi et tidskrystall «minner faretruende mye om en evighetsmaskin. Noe som er litt farlig å si for enhver anerkjent fysiker». Slik har i hvert fall nobelprisvinner Frank Wilczek formulert seg. Han er hjernen bak den opprinnelige ideen om tidskrystaller fra 2012.

Krystaller i rom og tid

Som nevnt er et tidskrystall et motstykke til et konvensjonelt krystall hvor atomer eller molekyler sitter i et helt vanlig mønster som gjentas gjennom krystallet.

Matematisk kan et krystall beskrives med formelen A (x) = A (x + d), hvor x er en romparameter og d er gitteravstanden i krystallet.

På samme måte er et tidskrystall et system som gjentar seg regelmessig etter hvert som tiden går, dvs. A (t) = A (t + T), hvor T er periodisiteten.

Stabil og foranderlig

Vanligvis anser vi stabile objekter som uforanderlige. Et tidskrystall er både stabilt og foranderlig – det er ikke noe vi vanligvis forholder oss til.

Vi kjenner alle til systemer som endrer seg regelmessig. Man kan for eksempel tenke på en huske som svinger frem og tilbake. Dette ville i prinsippet vært et tidskrystall hvis det ikke var for at svingningene gradvis vil avta og til slutt opphøre på grunn av tap i form av luftmotstand, friksjon og så videre. Svingningen er ikke stabil.

Men i 2012 argumenterte Frank Wilczek for at tidskrystaller burde kunne eksistere. Når de likevel ikke kunne betraktes som evighetsmaskiner, var det fordi de ikke ville kunne utføre en jobb, forklarte han.

Denne tanken fikk imidlertid et dødsstøt allerede i 2015, da to forskere i en artikkel i Physical Review Letters viste at det var et no-go-teorem som ganske enkelt forbød tidskrystaller i termisk likevekt med miljøet.

Dette etterlot imidlertid muligheten for at tidskrystaller kunne bli funnet i ikke-termisk likevekt.

Som det er kjent fra kjøleskap og varmepumper, kreves det imidlertid tilførsel av energi for å lage et system som ikke er i termisk likevekt. Under normale omstendigheter, bør det legges til.

Tidstranslasjonssymmetrien er ødelagt

Hvis man dytter en huske frem og tilbake, kan den fortsette å svinge frem og tilbake med samme periodisitet som man dytter til den og tilfører energi.

Fysikere sier at husken er drevet av et system med en energi eller mer riktig en hamilton, som varierer periodisk H (t) = H (t + T), hvor T er periodelengden og det berørte systemet (husken) reagerer med samme periodisitet. Et slikt system har dermed en diskret tidstranslasjonssymmetri.

Hvis systemet derimot reagerer jevnlig med en annen form for periodisitet, det vil si A (t) = A (t + nT), det har vært et brudd i symmetrien til den diskrete tidstranslasjonssymmetrien.

Et slikt system sies å være et diskret tidskrystall.

Diskrete tidskrystaller kalles også Floquet tidskrystaller etter den franske matematikeren Gaston Floquet, som på slutten av 1800-tallet studerte periodiske, lineære differensialligninger.

Det har vært kjent i mange år at systemer basert på såkalt many-body localization (MBL), hvor deler av et system kan påvirke andre deler over relativt store avstander, kan unngå å komme i termisk likevekt med omgivelsene.

Flere artikler de siste årene har beskrevet både eksperimentelt og teoretisk hvordan diskrete tidskrystaller kan oppstå i disse systemene.

Sycamore som en tidskrystall

På denne bakgrunn er det ikke banebrytende at Google nå har vist at kvanteprosessoren Sycamore også kan være et tidskrystall, men det er nå bemerkelsesverdig likevel.

Helt presist er det skapt et many-body localization-system som består av 20 qubit i prosessoren. Disse kvantebitene ble satt en tilfeldig tilstand, og med et kortvarig mikrobølgesignal kunne man endre disse qubitsene. Poenget er at etter to skudd med mikrobølgesignalet, vendte alle de 20 qubits tilbake til sin opprinnelige verdi.

Systemet er periodisk, og periodelengden er dobbelt så lang som periodelengden til det drivende signalet. I tillegg, siden ingen energi absorberes fra mikrobølgesignalet, oppfyller kvanteprosessoren alle betingelsene for å være et diskret tidskrystall.

I prinsippet kan man opprettholde tidskrystallet i uendelig lang tid, I praksis var grensen rundt 100 sekunder fordi Sycamores qubits ikke er helt perfekte.

Det bemerkelsesverdige med dette eksperimentet er, som Matteo Ippoliti fra Stanford University med flere forklarer i artikkelen i PRX Quantum, at kvantedatamaskineksperimentet oppfyller en lang rekke betingelser for diskrete tidskrystaller som ikke er oppfylt like godt i andre eksperimenter.

Det er fordi kvantedatamaskiner er kvantesystemer som kan styres og kontrolleres nøyaktig, at de egner seg som tidskrystaller.

Det avgjørende i denne forbindelse er at det ikke er beregninger utført av kvanteprosessoren som er det interessante, men at kvanteprosessoren er selve eksperimentet.

Det er verdt å merke seg at en nederlandsk forskningsgruppe omtrent på samme tid, endatil noen få uker før Google, publiserte et lignende, men ikke helt sammenlignbart eksperiment, som er utført i et diamantkrystall.

Når dette eksperimentet blir litt oversett, er det nok fordi forskerne ikke har Google-navnet med seg. Men det illustrerer at tidskrystaller har blitt et hett forskningsemne flere steder.

Tidskrystaller med klassisk fysikk

Siste ord om tidskrystaller er ikke sagt. I to artikler i Physical Review Letters, som er omtalt i tidsskriftet Physics, har to forskergrupper nylig vist hvordan visse tidskrystaller kan beskrives med klassisk fysikk.

De tror dette kan bane vei for en dypere forståelse av tidskrystaller.

Frank Wilczeks opprinnelige idé fra 2012 viste seg tidlig ikke å holde vann, men den ble likevel utgangspunktet for et aktivt forskningsområde som viser at det er mulig å oppnå et bredt spekter av overraskende effekter i systemer basert på many-body localization som ikke er i termisk likevekt med omgivelsene.

Dette er uten tvil noe vi kommer til å høre mer om i fremtiden.

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.