Fizycy powołują do życia niemożliwą materię

Napięcie w tej dziedzinie wynika z delikatności naszej obecnej technologii. Obecnie próbujemy budować komputery kwantowe przy użyciu materiałów, które są wyjątkowo chimeryczne. Jeśli zbłąkana cząsteczka ciepła choćby musnie kubit, cały system ulega załamaniu. Tworząc te egzotyczne, zależne od czasu stany, Powell i jego student, badacz Louis Buchalter, znaleźli sposób na uczynienie systemów kwantowych znacznie bardziej stabilnymi. Okazuje się, że jeśli utrzymuje się materię w stanie ciągłej, rytmicznej zmiany, zewnętrznemu szumowi trudniej jest ją zdestabilizować.

Efekt światła stroboskopowego dla świata kwantowego

Aby zrozumieć, co osiągnęli Powell i Buchalter, trzeba przestać myśleć o materii jako o czymś stałym i nieruchomym. Na poziomie kwantowym wszystko jest wibracją. Zazwyczaj wibracje te układają się w przewidywalny sposób. Inżynieria Floqueta to w istocie proces uderzania w materiał „światłem stroboskopowym” energii – w tym przypadku zmiennym polem magnetycznym – aby wymusić na tych wibracjach nowy, egzotyczny wzorzec. To tak, jakby wziąć stos piasku i wprawić podłoże w tak precyzyjne drgania, że ziarna piasku nie tylko leżą, ale lewitują, tworząc kształt katedry.

Zespół z Cal Poly wykorzystał proces, który nazwali „inżynierią Floqueta z przełączaniem strumienia”. Brzmi to jak coś wyjętego z rebootu science-fiction z połowy lat dziewięćdziesiątych, ale mechanika ta opiera się na matematycznej zasadzie organizacyjnej, która odzwierciedla systemy wyższego rzędu. Sterując systemem za pomocą czasowych zmian magnetycznych, odblokowali fazy kwantowe, które są „topologicznie chronione”. Mówiąc prościej, oznacza to, że stan materii jest zablokowany przez własną geometrię. Nie da się go łatwo zniszczyć, ponieważ sam kształt jego istnienia uniemożliwia mu rozpad.

To ogromne osiągnięcie dla przyszłości informatyki. Jedną z największych przeszkód na drodze do funkcjonalnego komputera kwantowego jest „szum” – zakłócenia środowiskowe powodujące błędy. Jeśli uda nam się zbudować kubity z tych sterowanych, egzotycznych stanów, nie tylko uczynimy je szybszymi, ale także bardziej odpornymi. Przechodzimy od budowania komputerów ze szkła do budowania ich ze stali zbrojonej. Ceną jest jednak energia. System musi być stale „napędzany”, aby materia mogła istnieć. W momencie, gdy zatrzymasz migotanie, sztuczka znika, a materia powraca do swojej nudnej, statycznej postaci.

Dlaczego ten kryształ ma w sobie cząsteczki-widma?

Kwantowa ciecz spinowa to nieco myląca nazwa. Nie jest ona mokra. „Ciecz” odnosi się tu do momentów magnetycznych – spinów – atomów wewnątrz kryształu. W zwykłym magnesie, takim jak ten na lodówce, wszystkie spiny wskazują ten sam kierunek lub podążają za uporządkowanym wzorcem. W kwantowej cieczy spinowej spiny znajdują się w stanie całkowitego, gorączkowego nieładu, nawet w temperaturze zera bezwzględnego. Są „sfrustrowane”, co oznacza, że nigdy nie mogą znaleźć wygodnego miejsca, w którym mogłyby osiąść. Ponieważ są w ciągłym ruchu i są splątane, tworzą „cząsteczki-widma” – wzbudzenia, które zachowują się dokładnie jak światło, ale istnieją tylko wewnątrz materiału.

Czy możemy faktycznie używać materii, która odmawia przestrzegania zasad?

Wspólnym mianownikiem między migotliwą materią z Cal Poly a fotonami-widmami z Rice jest całkowite odrzucenie fizyki klasycznej. Wkraczamy w erę, w której nie pytamy już, czym materiał *jest*, ale co może *zrobić*, gdy zostanie wypchnięty do granic możliwości. Dotyczy to również grafenu. Naukowcy zaobserwowali niedawno, jak elektrony w grafenie płyną niczym ciecz niemal pozbawiona tarcia, przeciwstawiając się fundamentalnemu prawu fizyki, które mówi, że elektrony powinny poruszać się jak pojedyncze kulki w pinballu. Zamiast tego poruszają się jak miód – gdyby miód mógł płynąć przez rurę z prędkością światła, nigdy nie napotykając oporu.

Są też kwazikryształy. Przez 40 lat staraliśmy się zrozumieć te materiały, które wyglądają, jakby miały wzór, ale nigdy się nie powtarzają. To mozaiki świata kwantowego – piękne, złożone i pozornie niemożliwe. Naukowcy z University of Michigan w końcu złamali kod ich wzrostu, ujawniając, że balansują one na granicy porządku i chaosu. Podobnie jak stany Floqueta, kwazikryształy stanowią punkt środkowy, który nie powinien istnieć, stanowiąc pomost między przewidywalnym światem kryształu soli a całkowitą przypadkowością gazu.

Implikacje przemysłowe są oszałamiające, ale musimy być realistami. W przyszłym roku nie będziemy mieli smartfonów zasilanych technologią Floqueta. Ian Powell jako pierwszy przyznaje, że najbardziej bezpośrednie zastosowanie dotyczy symulacji kwantowych i badań. Droga z laboratorium w Cal Poly do fabryki w Shenzhen jest długa i wybrukowana nieudanymi eksperymentami. Jednak ściana koncepcyjna została zburzona. Wiemy już, że jeśli nie możemy znaleźć materiału potrzebnego do konkretnej technologii, być może będziemy w stanie po prostu wywibrować go do istnienia za pomocą pól magnetycznych.

Czy przyszłość technologii to tylko dobrze wymierzone wibracje?

Jeśli czytasz to, siedząc w autobusie, prawdopodobnie trzymasz urządzenie wykonane z krzemu, miedzi i plastiku – materiałów, które rozumiemy od ponad wieku. Następny skok nie będzie lepszą wersją tych materiałów. Będzie to coś, co wydaje się magią. Patrzymy na świat, w którym nasz sprzęt jest „napędzany” przez zmienne w czasie pola, gdzie nasza energia przepływa przez kryształy za pośrednictwem cząsteczek-widm, a nasze komputery są zbudowane ze stanów materii, które technicznie nie istnieją, gdy zasilanie jest wyłączone.

Istnieje pewna ironia w fakcie, że im więcej dowiadujemy się o fundamentalnych elementach budulcowych wszechświata, tym bardziej zdajemy sobie sprawę, jak niewiele z nich wykorzystywaliśmy. Graliśmy na pianinie, używając tylko trzech klawiszy. Inżynieria Floqueta i odkrycie trójwymiarowych cieczy spinowych są jak ktoś, kto wreszcie otwiera pokrywę i pokazuje nam pozostałe 85. Jest to nieuporządkowane, skomplikowane i łamie większość zasad, które uważaliśmy za wykute w kamieniu. Ale jak zauważył Louis Buchalter po swoim czasie w laboratorium, badania rzadko są prostym procesem. Chodzi o wytrwałość i gotowość, by spojrzeć na pole magnetyczne i zastanowić się, co się stanie, jeśli przełączysz przełącznik szybciej, niż ktokolwiek uważał za wskazane.

Kolejna dekada fizyki nie będzie dotyczyć odkrywania nowych pierwiastków na końcu układu okresowego. Będzie dotyczyć dziwnych, migoczących, sfrustrowanych i pozbawionych tarcia stanów, które możemy tworzyć w lukach między nimi. Nie jesteśmy już tylko obserwatorami świata fizycznego. Jesteśmy jego redaktorami, przepisującymi kod materii w czasie rzeczywistym, impuls magnetyczny po impulsie magnetycznym. Prawa fizyki się nie zmieniły, ale nasza zdolność do ich omijania zdecydowanie tak. I w tej luce między tym, co jest, a tym, co może być, kolejna rewolucja technologiczna jest właśnie wprawiana w drgania, by zaistnieć.