Οι χρονοκρύσταλλοι είναι μια νέα κατάσταση της ύλης που παρατηρήθηκε πρώτη φορά το 2016. Στους χρονοκρυστάλλους, τα άτομα σχηματίζουν επαναλαμβανόμενα μοτίβα όχι μόνο στον χώρο, όπως στους συνηθισμένους κρυστάλλους, αλλά και στον χρόνο. Ένας τρόπος με τον οποίο θα μπορούσε να συμβαίνει κάτι τέτοιο, θα μπορούσε να είναι ότι τα άτομα στον κρύσταλλο κινούνται με έναν συγκεκριμένο ρυθμό. Εφόσον υπήρχε ένας χρονοκρύσταλλος πάγου, λόγου χάρη, τότε όλα τα μόρια του νερού θα δονούνταν σε μια πανομοιότυπη συχνότητα, και αυτό χωρίς να χρειαστεί καμία εξωτερική παρεμβολή.
Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης δημιούργησαν τον μεγαλύτερο χρονοκρύσταλλο μέχρι σήμερα προγραμματίζοντας έναν σε προσομοίωση σε έναν κβαντικό υπολογιστή με 57 qubits*- το κβαντικό ισοδύναμο ενός δυαδικού bit σε έναν κανονικό υπολογιστή.
Αυτό αντιπροσωπεύει μια βελτίωση με συντελεστή τριών βαθμίδων σε σχέση με την τελευταία τέτοια πρωτοποριακή προσομοίωση, όπως περιγράφεται λεπτομερώς σε μια πρόσφατη έρευνα στο περιοδικό Science Advance.
Τι σημαίνει όμως πραγματικά ο μεγαλύτερος χρονοκρύσταλλος στο πλαίσιο των κβαντικών υπολογιστών;
Αρχικά, θα πρέπει να ορίσουμε ορισμένους όρους. Ο κβαντικός υπολογισμός είναι ένας βραχίονας της κβαντικής μηχανικής, ο οποίος είναι ένας τρόπος κατανόησης του κόσμου στην κλίμακα των ηλεκτρονίων.
Σκεφτείτε το όπως το θέτει ο φυσικός Σον Μ. Κάρολ** στο βιβλίο του The Big Picture: η κβαντική μηχανική είναι σαν το κρυφό χέρι πόκερ ενός αντιπάλου. Μπορούν να πουν ότι κέρδισαν, αλλά δεν ξέρετε ακριβώς τι έχουν μέχρι να γυρίσουν τα χαρτιά τους.
Οι χρονοκρύσταλλοι είναι μια ειδική περίπτωση της κβαντικής μηχανικής που επινοήθηκε για πρώτη φορά πριν από δέκα χρόνια, αναφέρει το Science, όταν ο νικητής του βραβείου Νόμπελ και θεωρητικός φυσικός Φρανκ Γουίλτσεκ, του ΜΙΤ, προέβλεψε θεωρητικά την ύπαρξη των λεγόμενων χρονοκρυστάλλων.
O Γουίλτσεκ αναρωτήθηκε αν τα σχέδια των ατόμων που σχηματίζουν κρυστάλλους θα μπορούσαν με κάποιο τρόπο να πραγματοποιηθούν στο χρόνο και όχι στο χώρο.
Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του θεωρητικού κρυστάλλου χρόνου είναι ότι, όπως συνελήφθη από τον Γουίλτσεκ, δεν χρησιμοποιούν ενέργεια καθώς τα ηλεκτρόνια αλλάζουν γύρω από τον ίδιο τον χρόνο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια ειδική φάση της ύλης που φαίνεται να παραβιάζει τον πρώτο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, βάζοντας τους χρονοκρύσταλλους στην ίδια κατηγορία με τους υπεραγωγούς.
Παρόλο που ο Γουίλτσεκ*** συνέλαβε τους χρονοκρύσταλλους το 2012, παρατηρήθηκε πρώτη φορά το 2016. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν qubits για να προσομοιώσουν αυτό που οι ερευνητές αποκαλούσαν χρονοκρύσταλλος .
Στα πειράματά τους, οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Μελβούρνης χρησιμοποίησαν απομακρυσμένους υπολογιστές για πρόσβαση σε έναν κβαντικό υπολογιστή της IBM*** στις Ηνωμένες Πολιτείες. Κατάφεραν να κάνουν αλλαγές σε μεμονωμένα qubits στο σύστημα και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν ισχυρούς μαγνητικούς παλμούς για να επανενώσουν το πεδίο σε έναν μεγάλο χρονοκρύσταλλο δράσης. Το σύστημα ήταν επίσης φαινομενικά απρόσβλητο σε μικρότερους μαγνητικούς παλμούς, πράγμα που σημαίνει ότι ο κρύσταλλος αλληλεπιδρούσε με αυτόν τον τρόπο μόνο όταν οι επιστήμονες το ήθελαν πραγματικά .
Αυτή η εργασία δείχνει πολλές ελπίδες για τους χρονοκρύσταλλους, λένε οι ερευνητές, ειδικά όσον αφορά τη χρήση συστημάτων χρονοκρύστάλλων ως πιθανή μνήμη σε κβαντικούς υπολογιστές.
――
* Στο επιστημονικό πεδίο του κβαντικού υπολογισμού και στην τεχνολογία των ψηφιακών κβαντικών υπολογιστών, το κβαντικό bit, ή συνηθέστερα qubit, είναι η στοιχειώδης μονάδα κβαντικής πληροφορίας
** Είναι ένας Αμερικανός θεωρητικός φυσικός και φιλόσοφος που ειδικεύεται στην κβαντική μηχανική, τη βαρύτητα και την κοσμολογία.
*** Ο Φρανκ Γουίλτσεκ είναι Αμερικανός φυσικός και μαθηματικός. Μαζί με τους Nτέιβιντ Πόλιτζερ και Ντέιβιντ Γκρος βραβεύθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2004 για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας στη θεωρία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων. Το έργο τους βοήθησε την επιστημονική κοινότητα να πλησιάσει στον στόχο «της εκπλήρωσης μεγάλου οράματος, της εκπόνησης μίας ενιαίας θεωρίας η οποία θα περιλαμβάνει και τη βαρύτητα, με άλλα λόγια μία θεωρία των πάντων», όπως ανέφερε η Ακαδημία για τη βράβευσή τους. Οι ανακαλύψεις της ερευνητικής ομάδας είχαν δημοσιευθεί το 1973 και συνέβαλαν καθοριστικά στην κατανόηση της θεωρίας της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD).
**** Κβαντικός υπολογιστής ονομάζεται μία υπολογιστική συσκευή που εκμεταλλεύεται χαρακτηριστικές ιδιότητες της κβαντομηχανικής, όπως την αρχή της υπέρθεσης και της διεμπλοκής καταστάσεων, για να φέρει εις πέρας επεξεργασία δεδομένων και εκτέλεση υπολογισμών. Η εξέταση της λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών και η διατύπωση κατάλληλων αλγορίθμων από τη σκοπιά της θεωρητικής πληροφορικής, είναι ένα σύγχρονο ακαδημαϊκό πεδίο με τίτλο κβαντικός υπολογισμός. Οι κβαντομηχανικές ιδιότητες και αρχές λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών μελετώνται και από την επιστήμη της φυσικής. Η σχετική πρακτική τεχνολογία είναι ακόμα στα πολύ πρώιμα στάδια ανάπτυξης.
Σε έναν συμβατικό ψηφιακό υπολογιστή (κατά κανόνα ηλεκτρονικό), στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας είναι το bit, ενώ σε έναν κβαντικό υπολογιστή το qubit. Η βασική αρχή της κβαντικής υπολογιστικής επιστήμης είναι το γεγονός ότι οι κβαντομηχανικές ιδιότητες της ύλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση και τη δόμηση δεδομένων, καθώς και το γεγονός ότι μπορούν να επινοηθούν και να κατασκευαστούν μηχανισμοί στηριγμένοι στην κβαντομηχανική για την επεξεργασία αυτών των δεδομένων. Αν και οι κβαντικοί υπολογιστές βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, τα αποτελέσματα των σχετικών πειραμάτων με μικρό πλήθος από qubit) είναι ενθαρρυντικά.
Μεγάλης κλίμακας κβαντικοί υπολογιστές αναμένεται να λύνουν προβλήματα πολύ ταχύτερα από τους κλασικούς υπολογιστές, χρησιμοποιώντας τους καλύτερους μέχρι τώρα γνωστούς αλγόριθμους, όπως η παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Shor ή η προσομοίωση μεγάλων συστημάτων. Αν δοθούν αρκετοί υπολογιστικοί πόροι σε έναν κλασικό υπολογιστή, μπορεί να προσομοιώσει οποιοδήποτε κβαντικό αλγόριθμο. Ωστόσο η υπολογιστική ισχύς 500 qubit, για παράδειγμα, θα ήταν ήδη πολύ μεγάλη για να αναπαρασταθεί σε έναν κλασικό υπολογιστή γιατί θα χρειαζόταν να αποθηκευτούν 2500 τιμές (ένα terabyte πληροφορίας μπορεί να αποθηκεύσει 243 διακριτές τιμές).