Teadus

Google’i kvantarvutis valmis ajakristall, mida ei tohiks tavafüüsika järgi isegi eksisteerida 

Google'i kvantarvuti-protsessor Sycamore (tootja foto, quantumai.google/hardware)
Google’i kvantarvuti-protsessor Sycamore (tootja foto, quantumai.google/hardware)

Paistab nii, et tehnoloogiahiid Google’iga koostööd tegevad uurijad suutsid firma kvantarvutis luua ebamaist uut ainefaasi – ajakristalli (ingl time crystal).

Kahe oleku vahel energiat kaotamata igavesti pendeldavad ajakristallid satuvad vastuollu ühega kõige olulisematest füüsikareeglitest — termodünaamika teise seadusega, mille kohaselt peab korratus ehk entroopia suletud süsteemis alati kasvama, kirjutab Live Science.

Selle kummalise ainefaasi olemasolu prognoosis esmakordselt 2012. aastal Frank Wilczek, Nobeli auhinnaga pärjatud füüsik. Ajakristallid püsivad pideva muutumise seisundis viibimisele vaatamata stabiilsed ja väldivad edukalt muutumisprotsessi juhuslikustumist.

Teadlastel õnnestus tekitada Google’i kvantprotsessori Sycamore tuumas ajakristall umbes sajaks sekundiks kvantbittide (ingl quantum bit; qubit) abil.

Kvantbitt on tavalise arvutibiti ekvivalent kvantmehaanikas ja peamine informatsiooniühik kvantarvutites. Bitt on digiinfo väikseim ühik, millel võib olla ainult üks kahest võimalikust väärtusest, 0 või 1.

Termodünaamika teisest seadusest tulenev korratuse kasvamise tendents selgitab paljusid asju, mh seda, miks osiseid on hõlpsam kokku segada kui valmis segust uuesti eraldada.

Ajakristallid sellele reeglile ei allu. Aeglaselt soojuslikule tasakaalule (olukord, milles suletud süsteemi energia või temperatuur on jaotunud ühtlaselt kogu süsteemis) lähenemise asemel “takerduvad” need kahe tasakaaluolekust kõrgema energiaoleku vahele ja jäävad sinna igavesti tsükliliselt pendeldama.

Ükski massiivne objekt ei saa siiski ajakristallina käituda; reeglid, mis ajakristallide olemasolu võimalikuks teevad, pärinevad kvantmehaanikast.

Kvantmaailmas käituvad objektid korraga nii punktosakestena kui ka väikeste lainetena, kusjuures laine tugevus konkreetses ruumipiirkonnas ütleb, kui tõenäoline on sellest paigast osakest tuvastada.

Ent juhuslikkus võib sundida osakese tõenäosuslaine iseennast nullima kõikjal peale ühe väga väikese piirkonna. Juhuslikkuse all on mõeldud nt juhudefekte kristalli struktuuris või kvantbittide vastastikmõjude tugevuste programmeeritud juhuslikkust (ingl programmed randomness in the interaction strengths between qubits).

Osake, mis on “paika pandud”, võimetu liikuma, olekuid muutma või ümbritseva keskkonnaga soojuslikku tasakaalu saavutama, muutub lokaliseerituks.

Viimast protsessi rakendasidki teadlased oma eksperimendi alusena. Kvantbitid, millena kasutati 20 ülijuhtivat alumiiniumiriba, programmeeriti ühte kahest võimalikust olekust. Ribasid mikrolainekiirega tulistades õnnestus sundida kvantbitte olekut muutma. Katset korrati mitukümmend tuhat korda ja katkestati eri hetkedel, et jäädvustada olekud, milles kvantbitid parajasti olid.

Ilmnes, et kvantbitid pendeldasid ainult kahe konfiguratsiooni vahel, kusjuures need ei neelanud ka mikrolainekiirest pärinevat soojust. See tähendas, et teadlased olidki loonud ajakristalli.

Samuti täheldasid uurijad kinnitust sellele, et nende ajakristall on ainefaas – nii aine olekut kui ka oleku sees toimuvaid struktuurimuutusi hõlmav struktuurivorm.

Selleks, et midagi saaks pidada faasiks, peab see reeglina olema väga stabiilne. Tahked ained ei sula, kui temperatuur neid ümbritsevas keskkonnas veidi kõigub; tillukesed kõikumised ei pane vedelikku järsku aurustuma või tarduma. Kui mikrolainekiirt häälestati kvantbittide täiuslikuks olekuvahetuseks vajalikule asendile lähedasse, aga mitte päris täpselt õigesse asendisse, läksid kvantbitid ometi üle teise olekusse.

Teiste projektide raames on õnnestunud ajakristalle valmistada muudel viisidel — teemantide, ülivoolavate heelium-3-vedelike, magnoniteks nimetatavate kvaasiosakeste ja Bose’i-Einsteini kondensaatide abil. Kuid tavaliselt hajuvad sellistel meetoditel loodud ajakristallid liiga kiiresti selleks, et neid saaks üksikasjaliselt uurida.

Ajakristallidele pole hetkel kindlat rakendust. Tulevikus võib nende abil usutavasti valmistada senisest täpsemaid andureid, mahukamat massmälu või võimsamaid kvantarvuteid. Kindlasti on neist kasu aga kvantmehaanika uurimisel.

Uuring ilmus veel eelretsenseerimata kujul

Allikas

No tags for this post.

Related Posts

%d bloggers like this: