Материя нарушила правила

Это не просто кабинетные размышления. На протяжении десятилетий главным препятствием в гонке за создание функционального квантового компьютера был «шум». Квантовые биты, или кубиты, известны своей крайней чувствительностью. Стоит случайной вибрации или незначительному скачку температуры затронуть их, как они теряют данные, и вся система выходит из строя. Открытие Пауэллом этих «состояний Флоке» предполагает, что мы можем создавать материалы, которые по сути невосприимчивы к этому хаосу. Поддерживая материал в постоянном состоянии ритмичных изменений, физики создают новый тип стабильности, которую статичная материя обеспечить просто не способна.

Эффект магнитной стробоскопической лампы

Чтобы понять, чего достигли Пауэлл и его коллега Луи Бухальтер, нужно перестать рассматривать материю как твердый, неизменный кусок. Обычно кристалл подобен застывшей фотографии. Атомы сидят в своих рядах, электроны снуют вокруг, и всё остается на своих местах. Но команда Пауэлла использовала метод, называемый инженерией Флоке. Представьте себе стробоскоп в темном клубе. Когда свет выключен, вы не видите танцоров. Когда он мерцает с определенной частотой, танцоры кажутся движущимися в замедленной съемке или даже застывающими в воздухе.

Прелесть этого подхода заключается в контроле. В традиционном материаловедении, если вам нужно другое свойство, вы должны найти другой «камень». Вам нужно что-то более проводящее? Найдите медь. Нужно что-то магнитное? Найдите железо. С инженерией Флоке вы не меняете камень; вы меняете ритм. Настраивая частоту магнитного поля, исследователи могут «на лету» задавать специфические квантовые свойства. Это превращает материал в программируемый холст.

Добыча призрака фотона

Внутри особого кристалла, называемого оксидом церия-циркония, команда Дай наблюдала нечто, похожее на научную фантастику: эмерджентные фотоны. Обычно фотоны — это частицы света, путешествующие через вакуум космоса. Но здесь они появлялись из твердого кристалла. Это не те фотоны, которые приходят от Солнца; это «призрачные» версии, возникающие из коллективного танца атомов внутри материала.

Это открытие подтверждает, что мы можем создавать внутри твердых тел среды, имитирующие фундаментальные законы всей Вселенной. Это как иметь миниатюрную версию космоса, заключенную внутри драгоценного камня. Для квантовых вычислений это золотая жила. Эти эмерджентные частицы являются «дробными», что означает, что они представляют собой части электрона, которые эффективно распались. Поскольку они распределены по всему материалу, их невероятно трудно потревожить. Нельзя сломать то, что уже намеренно разрушено и распределено по тысяче атомов.

Когда электроны бросают свою основную работу

Странности не заканчиваются на магнитных импульсах или призрачных фотонах. В лабораториях по всему миру электроны начинают вести себя так, что это противоречит всем существующим учебникам. Целый век мы рассматривали электроны как крошечные бильярдные шары, несущиеся по проводам. Но новые исследования экзотической материи показывают, что при правильных условиях электроны вообще перестают вести себя как частицы.

В некоторых квантовых материалах электроны начинают течь подобно сверхтекучей жидкости. В других они теряют свою индивидуальность и действуют как единая, коллективная волна. Это ночной кошмар для классической физики, но мечта для инженеров. Если электрон не ведет себя как частица, он не отскакивает от препятствий. Если он не отскакивает, он не создает тепла. Если он не создает тепла, вы можете создать компьютер, которому не нужен вентилятор охлаждения и который никогда не замедляется.

Подвох, как всегда, в окружающей среде. Большинство из этих состояний требуют температур ниже, чем в глубоком космосе, или магнитных полей, достаточно сильных, чтобы поднять автомобиль. Именно поэтому инженерия Флоке Пауэлла так важна. Используя зависящие от времени поля для «управления» материей, мы, возможно, сможем обмануть эти материалы, заставив их оставаться в этих экзотических состояниях при более высоких температурах и менее экстремальных условиях. Это разница между необходимостью в суперхолодильнике с жидким азотом и устройством, которое работает у вас на столе.

Золотой стандарт космического насилия

Вы можете задаться вопросом, почему мы так одержимы этими хрупкими, мерцающими состояниями материи в лаборатории. Ответ кроется в украшениях на ваших пальцах или золоте в вашем смартфоне. Десятилетиями существовала «ядерная загадка» относительно того, откуда на самом деле берутся тяжелые элементы, такие как золото. Мы знали, что они не создаются в недрах звезд, как кислород или углерод; физические процессы там недостаточно интенсивны.

Оказывается, золото — это результат предельно экзотического эксперимента: столкновения нейтронных звезд. Нейтронная звезда — это, по сути, гигантское атомное ядро размером с город. Это самая экстремальная форма материи в наблюдаемой Вселенной. Когда две из них сталкиваются, они создают настолько странные условия, что правила таблицы Менделеева выбрасываются в окно. В этом хаосе нейтроны «втискиваются» в атомы с такой скоростью, что тяжелые элементы образуются за считанные секунды.

Конец статичного мира

Мы наблюдаем переход от «статичного» взгляда на Вселенную к «динамическому». На протяжении большей части истории человечества мы смотрели на камень и видели просто камень. Теперь мы смотрим на материал и видим набор возможностей, которые можно раскрыть с помощью правильного ритма. Работа Иэна Пауэлла с инженерией Флоке показала, что «ограничения» материи — это по большей части просто недостаток воображения. Если у материала нет нужного вам свойства, вы можете подвергать его вибрации, пока оно не появится.

Луи Бухальтер, студент-исследователь, работавший над исследованием в Cal Poly, отметил, что научные исследования редко бывают прямолинейными. Потребовалась настойчивость, чтобы составить «топологическую фазовую диаграмму» — по сути, карту того, где живут эти невероятные состояния материи. Эта карта теперь служит руководством для следующего поколения инженеров. Они не будут искать новые элементы; они будут искать новые способы пропускать импульсы энергии через те, что у нас уже есть.

Мы вступаем в эру, когда аппаратное обеспечение наших технологий станет таким же гибким, как программное. Представьте себе процессор, который меняет свои физические свойства в зависимости от выполняемой задачи. Нужно произвести сложные вычисления? Материал переходит в высокостабильное состояние Флоке. Нужно передать данные? Он мерцает, превращаясь в квантовую спиновую жидкость с эмерджентным светом. Сама материя становится машиной. Это звучит как магия, но, как показывают результаты лабораторных исследований, это просто физика с лучшим ритмом.

Поиск этих экзотических состояний — это не попытка доказать теорию. Это вопрос выживания в эпоху данных. Поскольку наш спрос на вычислительную мощность достигает физических пределов кремния и меди, у нас нет другого выбора, кроме как начать нарушать правила. Мы создаем материю, которой не должно существовать, потому что та материя, которая существует, уже не поспевает за нами. Призраки в машине наконец-то начинают работать.