A Google időkristálya olyan, mint amikor az első, szobányi számítógépek kiszámolták, hogy 2+2=4

Ahogy szerdán írtuk, egy kutatócsoport a Google kvantumszámítógépes laborjának segítségével lehet, hogy létrehozott egy időkristályt. Még nem biztos, mert a cikkük még anélkül jelent meg, hogy a tudományos közösség átnézte volna (tehát preprint, nem esett át peer-review-n), de ettől függetlenül sokak fantáziáját beindította.

De egyáltalán mi az, hogy időkristály, mi köze a kvantumszámítógépekhez, és miért érdekes ez az egész?

Ezen a ponton érdemes megjegyezni, hogy nem ez az első csoport, amelyik azt állítja, hogy sikerült időkristályt gyártaniuk: a holland Delft Műszaki Egyetem júliusban kiadott egy szintén preprint cikket arról, hogy ők is sikeresen létrehoztak egy időkristályt. A különbség az, hogy ők nem egy kvantumprocesszorral dolgoztak, hanem egy gyémánt szénatomjain.

A Google segítségével kutató csoport azonban a techóriás Sycamore nevű kvantumprocesszorát és kvantumszámítógépét használta a kísérlethez. Az ő időkristályukhoz 20 qubitet (ami gyakorlatilag a kvantuminformatika bitje) használtak, míg a delfti kutatók kilencet, azaz a Google-nél jelentősen több erőforrás állt rendelkezésre.

Kezdjük azzal, hogy mi is az az időkristály

Dr. Asbóth János kvantumfizikus, a BME Elméleti Fizikai Tanszékének docense, a Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatója úgy magyarázta, hogy az időkristály tulajdonképpen egy fizikai rendszer, egy kvantumos logikai áramkör, amit beprogramoztak a számítógépre, és váltogat különböző kvantumállapotok között, méghozzá egy másféle ütemben, mint amit mi megszabnánk neki. Elméleti síkon leginkább egy ingára hasonlít, ami folyamatosan két pont között váltakozik, azzal a különbséggel, hogy az ingával ellentétben az időkristálynál a váltás közben nincs súrlódás, így elméletben a végtelenségig tudja csinálni. Valójában nem is egy valódi kristályról van szó.

„Azért hívják úgy, hogy kristály, mert a szabályos kristályokban térben szigorú rendben követik egymást a kristály atomjai, tehát ha tudom egy atomnak a helyét, és hogy hogy áll a kristályrács, akkor a többi atom helyét is meg tudom mondani. Ha egy szabályos óraingáról tudom, hogy egy adott pillanatban milyen kilengése van, akkor meg tudom jósolni, hogy 10 perc múlva milyen lesz a kilengése, de azt, hogy mondjuk 10 óra múlva milyen lesz, már nem, mert az alatt az idő alatt már picit el fog állítódni. Egy ilyen időkristály viszont nem állítódik el, a végtelenségig lehet tudni, hogy egy adott pillanatban hogy áll a kvantumállapota – legalábbis ez az ígéret”

– magyarázta Asbóth.

Dr. Kiss Tamás, a Wigner Fizikai Kutatóközpontban működő Kvantumoptika és Kvantuminformatika Osztály osztályvezetője inga helyett a Föld Nap körüli keringéséhez hasonlította az időkristályok jellegzetességét, bár idővel az űrben található részecskék miatti súrlódás hatására a bolygónk belecsapódna a Napba (hacsak addig nem történik valami más, például hogy a Nap vörös óriássá válik). Az időkristály azonban elvileg a végtelenségig váltogat két állapot között.

Az elnevezés és az elmélet nem is olyan régi: 2012-ben a Nobel-díjas fizikus, Frank Wilczek állt elő vele, amikor hagyományos kristályokról tartott órát. Arra gondolt, hogy létezhet valami, ami adott időközönként, energiacsere nélkül két szerkezeti felépítés között váltogat. Abból indult ki, hogy ha kristályszerkezetek (például a gyémánté) térben ismétlődnek, akkor létezhet valami, aminek a mintázata az időben ismétlődik.

Ez túl szép volt ahhoz, hogy igaz legyen, japán kutatók 2014-ben meg is cáfolták az elméletet. Ezzel azonban nem ért véget az időkristályok kutatása. 2015-ben és 2016-ban két kutatócsoport arra jutott, hogy elméletben létezhetnek Floquet-időkristályok, amik gyakorlatilag ugyanazt tudják, mint amit Wilczek javasolt, de csak akkor, ha időnként kapnak egy lökést egy külső forrásból (mondjuk egy lézerből). Ezzel megkerülték a wilczeki elmélet problémáját, mert nem állítják, hogy az időkristály egyensúlyban lenne.

„Ha periodikusan gerjesztek valamit, akkor az periodikusan fog mozogni, ez nem olyan meglepő. De ha nem ugyanazzal a periódussal mozog, hanem mondjuk csak minden második lépésben mozdul egyet, akkor az már egy saját, nem a gerjesztés által rákényszerített periódusnak tekinthető”

– mondta Asbóth.

Ha ez a saját periódus saját magától fent tud maradni – papíron akár végtelen ideig –, és ugyanabban a jól meghatározott periódusban rezeg, akkor beszélünk időkristályról. Lehet, hogy sikerült egy ilyen örökmozgó kristályt létrehozni, de ez valójában inkább az elméleti fizikusok számára érdekes.

Na de mire jó ez az egész?

„Ez az egész időkristály téma szerintem egy kicsit olyan, hogy egy jópofa ötlet, elméleti fizikusok számára érdekes, és emellett egy nagyon jól eltalált elnevezés. Ha ez a kettő összejön, akkor az nagy érdeklődést tud kelteni. Az átlagember számára szerintem nem lenne érzékelhető haszna, ez inkább annyi, hogy épülnek a kvantumszámítógép-prototípusok, és azt ellenőrizgetjük, hogy ezek a csipek elég jók-e.”

Ahhoz hasonlította, mint amikor az első, egész szobákat kitöltő számítógépek kiszámolták, hogy 2+2=4. Nem váltották meg vele a világot, de fontos állomás volt a technológia fejlődésében. A kvantumszámítógépeknek bizonyítaniuk kell, hogy valóban hasznosabbak, mint a sima számítógépek. Asbóth abban sem biztos, hogy a Google valóban időkristályt gyártott, mert szerinte ahhoz további több millió vagy milliárd cikluson át kéne vizsgálni a lehetséges kristályt, de azt gondolja, hogy a Google gépe ehhez nem elég pontos. Egyáltalán nem zárja ki, hogy sikerült, de a kiadott cikket még nem tartja perdöntőnek.

Kiss is egyetért abban, hogy magának az időkristálynak nincs egyelőre egy olyan gyakorlati haszna, ami az átlagember számára feltűnő lenne. A tudomány számára azonban annál fontosabbnak látja.

„Ez a fizikusok számára érdekes mint egzotikus jelenség. Egy megjósolt jelenség, amit valódi kristályban nem várunk, mert egyelőre nem tudjuk, hol kéne keresni, emiatt pedig szimulálni kell. Klasszikus számítógépekkel azonban nem egyszerű ezt szimulálni, tehát ez egy profi feladat a kvantumszámítógép számára”

– magyarázta.

Az emberek esetleg akkor láthatják az időkristály eredményét, ha a kvantumszámítógépek már olyan szintre jutnak, hogy hatékonyan segítik például a kiberbiztonsági és mesterséges intelligenciás fejlesztéseket vagy a szilárdtestek és molekulák kutatását (például a gyógyszerfejlesztésben).

„Hogy a szilárdtestjelenségek kutatása konkrétan mire lesz jó, azt ugye senki se tudja előre, de a technológia forradalmában újra és újra a szilárdtestek jobb megértése vitt minket előre – például amikor a képernyők, háttértárak vagy a processzorok javultak.”

Tehát nem biztos, hogy az időkristály lesz az új szügyhám vagy futószalag, de ha a delfti vagy a Google-lel dolgozó kutatóknak valóban sikerült létrehozni egyet, az a tudományos világ számára izgalmas eredmény lenne.