'Time crystals' của Google có thể là thành tựu khoa học lớn nhất trong đời chúng ta

Eureka! Một nhóm nghiên cứu với sự tham gia của hàng chục nhà khoa học hợp tác với các phòng thí nghiệm máy tính lượng tử của Google có thể đã tạo ra time crystal đầu tiên trên thế giới bên trong một máy tính lượng tử.

Đây là loại tin tức khiến tôi muốn nhảy lên và múa happy dance.

Những nhà khoa học này có thể đã tạo ra một pha mới hoàn toàn của vật chất. Tôi sẽ cố gắng giải thích điều đó có nghĩa là gì và tại sao cá nhân tôi tin rằng đây là bước đột phá khoa học quan trọng nhất trong đời chúng ta.

Tuy nhiên, vì sự rõ ràng, có hai điểm tôi cần làm rõ trước:

1. Time crystals là một khái niệm khó hiểu và khó giải thích.
2. Đội ngũ của Google có thể đã tạo ra time crystals. Đây là nghiên cứu trước khi công bố và chưa nhận được sự đánh giá đầy đủ từ cộng đồng khoa học. Cho đến khi cộng đồng khoa học khác có thời gian đánh giá và tái tạo công việc, chúng ta không thể khẳng định chắc chắn đó là hợp lệ.

Khái niệm 'time crystal' là gì?

Nói một cách thông thường, đó là một cách để nói 'không' với Sir Isaac Newton.

Time crystals là một pha mới của vật chất. Vì sự đơn giản, hãy tưởng tượng một khối đá băng.

Khi bạn đặt một khối đá băng vào cốc nước, bạn đang giới thiệu hai thực thể riêng biệt (khối đá băng và nước lỏng) với nhau ở hai nhiệt độ khác nhau.

Mọi người đều biết rằng nước sẽ lạnh đi (đó là lý do tại sao chúng ta đặt đá vào đó) và, theo thời gian, đá sẽ ấm lên và biến thành nước. Cuối cùng, bạn sẽ chỉ có một cốc nước ở nhiệt độ phòng.

Chúng ta gọi quá trình này là “cân bằng nhiệt độ.”

Hầu hết mọi người đều quen với định luật chuyển động thứ nhất của Newton, đó là định luật nói 'một vật nằm yên sẽ giữ nguyên trạng thái yên và một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động.'

Một hiệu ứng quan trọng của định luật vật lý này là điều đó có nghĩa là máy chuyển động vĩnh cửu theo cách cổ điển là không thể.

Theo vật lý cổ điển, vũ trụ luôn điều hướng về entropi. Nói cách khác: nếu chúng ta cô lập một viên đá băng và một cốc nước ở nhiệt độ phòng khỏi tất cả các lực tác động bên ngoại, nước sẽ luôn làm tan chảy đá băng.

Entropi (sự chuyển động về sự thay đổi) của bất kỳ hệ thống nào sẽ luôn giữ nguyên nếu không có quá trình, và nó sẽ luôn tăng nếu có quá trình.

Vì vũ trụ của chúng ta có ngôi sao nổ, lỗ đen hút, và mọi người làm cháy mọi thứ - các quá trình hóa học - entropi luôn tăng.

Ngoại trừ khi đến với time crystals. Time crystals không quan tâm đến ý kiến của Newton hay bất cứ ai khác. Chúng là những người vi phạm luật và làm tan chảy trái tim. Chúng có thể, lý thuyết, duy trì entropi ngay cả khi được sử dụng trong một quá trình.

Ý nghĩa của điều đó là gì

Hãy tưởng tượng về một viên tinh thể mà bạn quen thuộc, như một bông tuyết. Bông tuyết không chỉ đẹp vì mỗi bông đều độc đáo, chúng còn là những hình thành độc đáo gần như phá vỡ luật vật lý.

Cấu trúc tinh thể hình thành trong thế giới vật lý vì một lý do khoa học cơ bản nào đó, các nguyên tử bên trong chúng 'muốn' tồn tại ở những điểm cụ thể.

'Muốn' là một từ thực sự kỳ lạ khi chúng ta nói về nguyên tử - tôi chắc chắn không đề xuất chúng có trí tuệ - nhưng khó mô tả xu hướng của cấu trúc tinh thể trong những khái niệm trừu tượng như 'tại sao'.

Một thạch anh thời gian là một pha mới của vật chất, đơn giản hóa, nó giống như có một bông tuyết luân phiên giữa hai cấu hình khác nhau liên tục. Nó là một lưới bảy điểm một lúc và một lưới mười điểm ở lúc sau, hoặc bất cứ thứ gì.

Điều đặc biệt về thạch anh thời gian là khi chúng luân phiên giữa hai cấu hình khác nhau, chúng không mất hoặc sử dụng bất kỳ năng lượng nào.

Thạch anh thời gian có thể tồn tại qua các quá trình năng lượng mà không rơi vào vết cạn. Lý do họ được gọi là thạch anh thời gian là vì chúng có thể có bánh và ăn nó nữa.

Chúng có thể ở trong trạng thái đã ăn hết bánh, và sau đó quay trở lại trạng thái vẫn còn bánh - và lý thuyết là chúng có thể làm điều này mãi mãi.

Quan trọng nhất, chúng có thể làm điều này bên trong một hệ thống cô lập. Điều đó có nghĩa là chúng có thể tiêu thụ chiếc bánh và sau đó kỳ diệu làm cho nó xuất hiện lại đi lại mãi mãi, mà không sử dụng bất kỳ nhiên liệu hoặc năng lượng nào.

Ai quan tâm? Điều này sẽ có ý nghĩa gì đối với tôi?

Thực sự mọi người đều nên quan tâm. Như tôi đã viết từ năm 2018, thạch anh thời gian có thể là điều kỳ diệu mà tính toán lượng tử cần.

Gần như mọi công nghệ tương lai mà con người có thể tưởng tượng, từ teleportation đến động cơ uốn cong và từ tổng hợp thực phẩm nhân tạo đến bộ phát hiện năng lượng vĩnh cửu có khả năng cung cấp năng lượng cho thế giới mà không đốt cháy nhiên liệu hay tận dụng năng lượng, sẽ đòi hỏi các hệ thống tính toán lượng tử.

Máy tính lượng tử có thể giải quyết những vấn đề rất khó. Thật không may, chúng yếu đuối. Xây dựng chúng khó, bảo trì khó, đưa chúng vào làm bất cứ điều gì cũng khó, và thậm chí là khó khăn hơn để giải thích kết quả mà chúng đưa ra. Điều này là do một thứ gọi là “phân cực,” hoạt động giống như entropi.

Bit máy tính trong thế giới lượng tử, qubit, có một đặc điểm kỳ quặc của cơ học lượng tử khiến chúng hoạt động khác nhau khi được quan sát so với khi chúng độc lập. Điều này khiến cho bất kỳ đo đạc trực tiếp nào về trạng thái của qubit (đọc đầu ra của máy tính) trở nên khó khăn.

Nhưng thạch anh thời gian muốn được nhất quán. Vì vậy, đặt chúng vào bên trong một máy tính lượng tử và sử dụng chúng để thực hiện các quy trình máy tính có thể tiềm ẩn một chức năng cực kỳ quan trọng: đảm bảo sự nhất quán lượng tử.

[Chào mừng những Người máy! Bạn có biết chúng tôi có một bản tin hoàn toàn về trí tuệ nhân tạo và máy tính lượng tử không? Bạn có thể đăng ký nó ngay tại đây]

Vậy Google đã giải quyết vấn đề máy tính lượng tử chưa?

Không. Không, không, không, không. Đừng hiểu lầm. Đây là bước đầu tiên. Đây là nghiên cứu ở giai đoạn đầu. Đây là Antony van Leeuwenhoek trở thành người đầu tiên sử dụng kính hiển vi để nhìn vào một giọt nước dưới sự phóng đại.

Google, có vẻ như đã chứng minh được rằng con người có thể tạo ra các viên ngọc thời gian. Nói bằng lời của các nhà nghiên cứu:

Các kết quả này xác lập một phương pháp có thể mở rộng để nghiên cứu các giai đoạn không cân bằng của vật chất trên các bộ xử lý lượng tử hiện tại.

Đơn giản là họ tin rằng họ đã chứng minh được khái niệm, vì vậy giờ là lúc xem điều gì có thể thực hiện được từ đó.

Vậy tại sao điều này lại thú vị đến vậy?

Ngọc thời gian luôn chỉ là lý thuyết. Và bằng cách nói “luôn,” tôi có nghĩa là từ năm 2012 khi chúng được giả định lần đầu tiên.

Nếu Google thực sự đã tạo ra ngọc thời gian, điều đó có thể thúc đẩy đồ họa cho các đột phá về máy tính lượng tử từ “có lẽ không bao giờ” thành “có lẽ trong vài thập kỷ tới.”

Ở phía xa xôi, ở đầu kịch tính và siêu lạc quan - chúng ta có thể thấy sự tạo ra của một động cơ warp hoạt động trong suốt cả đời sống của chúng ta. Tưởng tượng việc đi chuyến du lịch đến Sao Hỏa hoặc mép của hệ Mặt Trời, và quay về nhà trên Trái Đất đúng lúc để xem tin tức tối.

Thậm chí ở phía bảo thủ với những kỳ vọng thực tế hơn, không khó để tưởng tượng việc sử dụng máy tính lượng tử trong việc phát hiện hóa chất và thuốc sẽ dẫn đến những phương pháp điều trị ung thư hiệu quả mọi nơi.

Điều này có thể là phát hiện lớn mà chúng ta đang đợi từ lâu. Không thể chờ đợi để xem điều gì sẽ xảy ra trong quá trình đánh giá từ đồng nghiệp.

Nếu bạn muốn biết thêm, bạn có thể đọc bài báo của Google ở đây. Công ty đã xuất bản một bài giải thích đơn giản vào tháng 11 năm 2021 ở đây. Và nếu bạn đang tìm kiếm sự đào sâu kỹ thuật vào các chi tiết khoa học cụ thể về những gì các nhà nghiên cứu đã đạt được trong phòng thí nghiệm, bài viết này trên tạp chí Quanta của Natalie Wolchover là tuyệt vời nhất.