Materia łamie zasady

To nie jest tylko laboratoryjne teoretyzowanie. Przez dziesięciolecia największą przeszkodą w wyścigu do stworzenia funkcjonalnego komputera kwantowego był „szum”. Kubity, czyli bity kwantowe, są niezwykle wrażliwe. Jeśli dotknie ich zabłąkana wibracja lub niewielki skok temperatury, tracą swoje dane i cały system ulega awarii. Odkrycie przez Powella stanów „Floqueta” sugeruje, że możemy tworzyć materiały, które są w istocie odporne na ten chaos. Utrzymując materiał w stanie ciągłej, rytmicznej zmiany, fizycy tworzą rodzaj stabilności, której materia statyczna po prostu nie jest w stanie zapewnić.

Efekt magnetycznego światła stroboskopowego

Aby zrozumieć, co osiągnęli Powell i jego współpracownik Louis Buchalter, trzeba przestać myśleć o materii jak o solidnej, niezmiennej bryle. Zwykle kryształ przypomina zdjęcie. Atomy tkwią w swoich rzędach, elektrony krążą wokół, a całość pozostaje w bezruchu. Zespół Powella zastosował jednak technikę zwaną inżynierią Floqueta. Wyobraź sobie światło stroboskopowe w ciemnym klubie. Gdy światło jest zgaszone, nie widzisz tancerzy. Gdy miga z określoną częstotliwością, tancerze zdają się poruszać w zwolnionym tempie lub nawet zastygają w powietrzu.

Piękno tego podejścia tkwi w kontroli. W tradycyjnej inżynierii materiałowej, jeśli chcesz uzyskać inne właściwości, musisz znaleźć inną skałę. Potrzebujesz czegoś lepiej przewodzącego? Znajdź miedź. Chcesz czegoś magnetycznego? Znajdź żelazo. Dzięki inżynierii Floqueta nie zmieniasz skały; zmieniasz rytm. Dostrajając częstotliwość pola magnetycznego, naukowcy mogą w locie ustawiać konkretne właściwości kwantowe. Zmienia to materiał w programowalne płótno.

Wydobywanie ducha fotonu

Wewnątrz konkretnego kryształu zwanego tlenkiem ceru i cyrkonu zespół Daia zaobserwował coś, co brzmi jak science-fiction: fotony emergentne. Zazwyczaj fotony to cząstki światła, które podróżują przez próżnię kosmiczną. Tutaj jednak wydobywały się one ze stałego kryształu. Nie są to fotony pochodzące ze Słońca; to „upiorne” wersje, które powstają z kolektywnego tańca atomów wewnątrz materiału.

To odkrycie potwierdza, że możemy tworzyć wewnątrz ciał stałych środowiska, które naśladują fundamentalne prawa całego wszechświata. To tak, jakby mieć miniaturową wersję kosmosu uwięzioną w kamieniu szlachetnym. Dla obliczeń kwantowych to prawdziwa żyła złota. Te emergentne cząstki są „ufrakcjonowane”, co oznacza, że są częściami elektronu, które skutecznie się rozpadły. Ponieważ są rozproszone w całym materiale, niezwykle trudno je zakłócić. Nie można zepsuć czegoś, co jest już celowo rozbite i rozłożone na tysiąc atomów.

Kiedy elektrony rzucają pracę

Dziwność nie kończy się na impulsach magnetycznych czy upiornych fotonach. W laboratoriach na całym świecie elektrony zaczynają zachowywać się w sposób, który przeczy wszystkim podręcznikom. Przez stulecie traktowaliśmy elektrony jak maleńkie bilardowe kule pędzące przez przewody. Jednak nowe badania nad materią egzotyczną pokazują, że w odpowiednich warunkach elektrony całkowicie przestają zachowywać się jak cząstki.

W niektórych materiałach kwantowych elektrony zaczynają płynąć niczym ciecz bez tarcia. W innych tracą swoją indywidualną tożsamość i działają jako pojedyncza, kolektywna fala. Jest to koszmar dla fizyki klasycznej, ale marzenie dla inżynierów. Jeśli elektron nie zachowuje się jak cząstka, nie odbija się od obiektów. Jeśli się nie odbija, nie wytwarza ciepła. Jeśli nie wytwarza ciepła, możesz zbudować komputer, który nie potrzebuje wentylatora i nigdy nie zwalnia.

Haczyk, jak zawsze, tkwi w środowisku. Większość tych stanów wymaga temperatur niższych niż w głębokim kosmosie lub pól magnetycznych wystarczająco silnych, by unieść samochód. Dlatego właśnie inżynieria Floqueta w wykonaniu Powella jest tak istotna. Używając pól zależnych od czasu do „napędzania” materii, możemy być w stanie zmusić te materiały do pozostania w egzotycznych stanach w wyższych temperaturach i mniej ekstremalnych warunkach. To różnica między potrzebą superchłodziarki chłodzonej ciekłym azotem a urządzeniem, które działa na twoim biurku.

Złoty standard kosmicznej przemocy

Możesz się zastanawiać, dlaczego mamy obsesję na punkcie tych kruchych, migotliwych stanów materii w laboratorium. Odpowiedź leży w biżuterii na twoim palcu lub złocie w twoim smartfonie. Przez dziesięciolecia istniała „zagadka jądrowa” dotycząca tego, skąd właściwie biorą się ciężkie pierwiastki, takie jak złoto. Wiedzieliśmy, że nie powstają w jądrach gwiazd tak jak tlen czy węgiel; panująca tam fizyka nie jest wystarczająco gwałtowna.

Okazuje się, że złoto jest wynikiem ostatecznego eksperymentu z materią egzotyczną: kolizji gwiazd neutronowych. Gwiazda neutronowa jest w istocie gigantycznym jądrem atomowym wielkości miasta. To najbardziej ekstremalna forma materii w obserwowalnym wszechświecie. Kiedy dwie z nich się zderzają, tworzą warunki tak dziwaczne, że zasady układu okresowego przestają obowiązywać. W tym chaosie neutrony są wtłaczane do atomów w takim tempie, że ciężkie pierwiastki powstają w ciągu kilku sekund.

Koniec statycznego świata

Przejście, którego jesteśmy świadkami, to odejście od „statycznego” postrzegania wszechświata na rzecz „dynamicznego”. Przez większość historii ludzkości patrzyliśmy na skałę i widzieliśmy skałę. Teraz patrzymy na materiał i widzimy zestaw możliwości, które można odblokować odpowiednim rytmem. Praca Iana Powella z inżynierią Floqueta pokazała, że „ograniczenia” materii to w większości po prostu brak wyobraźni. Jeśli materiał nie posiada właściwości, których potrzebujesz, możesz go wprawić w drgania, aż je zyska.

Louis Buchalter, student i badacz, który pracował nad badaniem Cal Poly, zauważył, że badania rzadko są prostą ścieżką. Potrzeba było wytrwałości, aby sporządzić „topologiczny diagram fazowy” — w zasadzie mapę miejsc, w których żyją te niemożliwe stany materii. Ta mapa jest teraz przewodnikiem dla następnego pokolenia inżynierów. Nie będą oni szukać nowych pierwiastków; będą szukać nowych sposobów pulsowania energią przez te, które już mamy.

Wkraczamy w erę, w której sprzęt naszej technologii będzie tak płynny, jak oprogramowanie. Wyobraź sobie procesor, który zmienia swoje właściwości fizyczne w zależności od wykonywanego zadania. Potrzebujesz wykonać obliczenia? Materiał przechodzi w wysoce stabilny stan Floqueta. Musisz przesłać dane? Migocze w stronę kwantowej cieczy spinowej z wyłaniającym się światłem. Sama materia staje się maszyną. Brzmi to jak magia, ale jak pokazują wyniki laboratoryjne, to po prostu fizyka z lepszym rytmem.

Pogoń za tymi egzotycznymi stanami nie polega na udowadnianiu teorii. Chodzi o przetrwanie w erze danych. Ponieważ nasze zapotrzebowanie na moc obliczeniową osiąga fizyczne granice krzemu i miedzi, nie mamy wyboru i musimy zacząć łamać zasady. Wyczarowujemy materię, która nie powinna istnieć, ponieważ ta, która istnieje, nie potrafi już za nami nadążyć. Duchy w maszynie w końcu zaczynają pracować.