Introduksjon
Evigbevegelsesmaskiner er umulige, i hvert fall i vår daglige verden. Men nede på kvantemekanikkens nivå gjelder ikke termodynamikkens lover alltid på helt samme måte. I 2021, etter mange års innsats, demonstrerte fysikere virkeligheten til en "tidskrystall", en ny tilstand av materie som er både stabil og i stadig endring uten tilførsel av energi. I denne episoden diskuterer Steven Strogatz tidskrystaller og deres betydning med den teoretiske fysikeren Vedika Khemani fra Stanford University, som medoppdaget at de var mulige og deretter hjalp til med å lage en på en kvantedatabehandlingsplattform.
Hør på Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, Stitcher, TuneIn eller din favoritt podcasting-app, eller du kan streame det fra Quanta.
Transcript
Steven Strogatz (00:00): Hei, jeg heter Steve Strogatz, og dette er Gleden over hvorfor, en podcast fra Quanta Magazine som tar deg inn i noen av de største ubesvarte spørsmålene innen matematikk og naturfag i dag. I denne episoden skal vi snakke om tidskrystaller. Hva er de? Vel, har du noen gang hørt om en evighetsmaskin? Og har du hørt at de er umulige? Ja, vel, de er umulige i den verden vi lever i, på grunn av friksjon. Men i kvanteverdenen er alle spill av.
(00:32) Så er det noen måte å leke med kvantefenomener for å lage en tilstand av materie som vil fortsette å endre seg frem og tilbake, frem og tilbake for alltid? Vel, gjesten min i dag er medlem av et team som teoretisk oppdaget tidskrystallen og bidro til å realisere det eksperimentelt på en kvantedatamaskin. Teoretisk fysiker Vedika Khemani er assisterende professor i fysikk ved Stanford University. I 2021, hun mottok New Horizons in Physics Prize fra Breakthrough Prize Foundation for hennes arbeid med ikke-likevekts kvantestoff, inkludert tidskrystaller. Hun blir med meg for å forklare hva tidskrystaller er, hvordan de utvider vår forståelse av hva som er mulig i kvantesandkassen, og om alt dette stemmer overens med termodynamikkens andre lov. Velkommen, professor Vedika Khemani.
Vedika Khemani (01:26): Takk, Steve. Det er flott å være her. Og takk for at du har meg.
Strogatz (01:29): Du er hjertelig velkommen. Jeg er veldig glad for å snakke med deg. Jeg synes arbeidet ditt er spektakulært. Og jeg er veldig nysgjerrig på å høre mer om det. Så du vet, for å nevne evighetsmaskiner, det er en invitasjon til katastrofe på ethvert vitenskapsshow, siden det virkelig er alle slags grunner til å ikke tro på dem. Så kanskje før vi begynner å snakke om deres mulighet eller umulighet i kvanteregimet, hvorfor starter vi ikke bare med krystaller. Du vet, folk kan ha sett krystaller i en slags butikk i sentrum, eller de tenker på... Vel, fortell meg det. Hva, hva er en krystall for en fysiker?
Khemani (02:06): Så ja, så når du ser en krystall i en butikk, ser du kanskje noen vakre ametystkrystaller, diamanter eller steinsalt på bordplaten. Men for en fysiker er krystaller definert i form av symmetrier og deres brudd. Og dette er egentlig en grunnleggende idé i hvordan vi tenker om faser av materie.
(02:25) Så en fase av materie, du vet - du er kanskje kjent med faser som faste stoffer, væsker og gasser - en fase av materie blir ofte beskrevet i form av symmetrier. Så en av de grunnleggende symmetriene i naturen er translasjonssymmetrien i rommet. OK, så dette betyr at fysikkens lover ser like ut, ikke sant? Så hvis jeg gjør et eksperiment her på Stanford og så gjentar det der du er på Cornell, bør vi få de samme resultatene, forhåpentligvis, ikke sant? Jeg kan oversette hvor mye som helst, og fysikkens lover vil være de samme. På den annen side, hvis du ser på hvordan en krystall er ordnet, bryter den spontant denne oversettelsessymmetrien, fordi krystallen ikke ser lik ut overalt. Det du ser i stedet er en periodisk rekke atomer atskilt av rom, og så er det et atom og så er det rom, og så er det et atom. Og dette fortsetter for alltid.
(03:23) OK, så gitt at det er denne separasjonen mellom atom og rom, har denne krystallen spontant brutt den kontinuerlige translasjonssymmetrien og ordnet seg på denne måten.
Strogatz (03:37): Når det gjelder å bryte symmetri i rommet, tenkte jeg... Bildet som dukket opp når du snakket om rom og deretter atomer var som på et mer dagligdags nivå. Hvis jeg går opp en trapp, er det plass mellom trappene, og når jeg er på trappeavsatsen, er jeg på et spesielt sted, og det tilsvarer på en måte neste landing ovenfor, i motsetning til å gå opp en rampe der, i en rampe, hvert punkt er mer eller mindre det samme som alle andre punkt. Så det er - forskjellen mellom en rampe og en trapp føles for meg som forskjellen mellom kontinuerlig symmetri - det er som rampen - og diskret symmetri ville være mer som en trapp. Eller en krystall, hvis jeg hører deg rett.
Khemani (04:17): Ja, det er helt riktig. Og du vet, krystall er vanligvis en fast fase, du vet, som is. Is er en krystall. På den annen side, en væske eller en gassfase - i disse fasene ser de like ut overalt. De bryter ikke oversettelsessymmetri. I statistisk forstand kan du se på et lite volum vann, og uansett hvilket volum du velger, ser det alltid likt ut. Så vi sier at væsker og faste stoffer eller vann og is er i to forskjellige faser av materie, fordi en av dem respekterer naturens translasjonssymmetri og den andre ikke. Den andre bryter den spontant.
Strogatz (04:55): Greit, så nå som vi forstår bedre hva en krystall er, hva er da en tidskrystall?
Khemani (05:00): Så akkurat som vi snakket om oversettelsessymmetri i rommet, like grunnleggende er oversettelsessymmetri i tid, som betyr at hvis du gjør et eksperiment i dag eller i morgen eller dagen etter, bør du få det samme svaret. Men du vet, rom og tid er ikke det samme, for du kan lett gå fremover og bakover i rommet, men du kan absolutt ikke gå fremover og bakover i tid. Og det er grunnen til at, du vet... Fordi rom og tid er forskjellige, og systemer har en tendens til å utvikle seg mot disse entropi-maksimerende likevektstilstandene, som per definisjon er i hvile, er det grunnen til at, du vet, det hadde blitt trodd og bevist at i likevektsinnstillinger kunne du ikke få tidskrystaller.
(05:46) OK, så den siste typen vinkel på dette arbeidet har kommet fra dette helt forskjellige hjørnet av fysikk, der vi har tenkt på kvantesystemer som er fundamentalt ute av likevekt. Og det er en av tingene som er veldig spennende for meg med tidskrystaller, at det er en instansiasjon av denne kvantefasen som ikke er likevekt. Så en tidskrystall er en fase av materie som spontant bryter denne oversettelsessymmetrien i tid, for å vise deg en slags periodisk, pulserende for alltid. Så for å vise deg en slags periodisk tidsavhengighet for alltid. Så det er som fremveksten av en klokke i et system. Men viktigst av alt, dette skal skje spontant, som betyr uten tilførsel av energi, eller uten tømming av energi. OK, fordi du vet, batteridrevne klokker er rundt oss, du kan kjøpe en på Amazon, ikke sant?
Strogatz (06:42): OK, bra. Jeg er glad du tar det opp. Fordi jeg, jeg lurte litt på, sier du stadig «spontant». Så la oss høre det igjen: "Spontant" er i motsetning til noe som blir trigget eller drevet til å gjøre sitt på grunn av et batteri eller en annen energikilde.
Khemani: Akkurat, akkurat.
Strogatz (06:59): OK. Så i en tidskrystall, i motsetning til en klokke som trenger et batteri, eller den må kobles til veggen, vil tidskrystallen være en slags ting som går frem og tilbake, eller endres på en klokkelignende måte uten en energikilde?
Khemani (07:15): Det stemmer. Ja. Så det er ingen netto tilførsel av energi i systemet, og det burde være i stand til spontant, av seg selv, å vise deg denne typen periodiske bevegelser i tid for alltid.
Strogatz (07:27): Det høres ut som science fiction.
Khemani (07:29): Ja, jeg mener, når du først har gravd i det, er det virkelig vitenskap, ikke science fiction, men det er ganske kult. Ja.
Strogatz (07:36): Det er liksom vanskelig å tro. Du vet, vi er så vant til å tenke på som - si, alle som har hatt en bestefarsklokke, du vet, som er basert på en pendel som svinger frem og tilbake. De klarer seg ganske bra en stund, men går du inni pendelklokken på en bestefarsklokke, er det noen vekter som begynner å bli lavere og lavere. Og som etter at en uke har gått, er de nede i bunnen, og du må løfte dem opp igjen. Som om det er å legge en energikilde i det, for å holde klokken i gang. Hva er annerledes med, for eksempel - hvordan kan en tidskrystall unngå det?
Khemani (08:06): Flott, flott spørsmål, Steve. Så vi kan faktisk bruke bare en enkel pendel for å forstå hvorfor termodynamikkens andre lov og termodynamikkens første lov vil fortelle deg at tidskrystaller eller evighetsbevegelsesmaskiner er umulige. Og dette hadde faktisk vært den aksepterte visdommen i århundrer. Og den siste utviklingen som har gjort det mulig for oss å se en tidskrystall, har kommet fra et hjørne av fysikken der disse termodynamikkens lover rett og slett ikke gjelder. Så vi kommer til det senere.
(08:38) Men la oss komme tilbake til pendelen. Og, du vet, for pendelen, som du sa, du vet, den burde trenge en energikilde, ikke sant? Det burde trenge noe; det må spoles tilbake. Og en enkel grunn til det er friksjon. OK, så pendelen din svinger, og det er friksjon i kulelagrene, og det fører til en viss spredning av energi. Men, du vet, la oss være teoretiske fysikere et øyeblikk og bare leve i en idealisert verden der vi sier at det er ingen friksjon. Og vi har stukket pendelen vår i en perfekt vakuumkrukke, som er friksjonsfri. Så du vet, vi kan omgå termodynamikkens første lov eller dette tapet av energi på grunn av friksjon ved å jobbe i dette ideelle miljøet. Men selv da må vi kjempe med termodynamikkens andre lov, som sier at systemer slapper av til entropi-maksimerende likevektstilstander.
(09:34) OK, så hva dette betyr for pendelen er at hvis du tenker på pendelen som bare én enkelt partikkel... Så hvis du kunne ta en partikkel i enden av en streng og få den til å bevege seg, og du satte fast den i et friksjonsløst miljø kan det faktisk vare evig. Men en faktisk pendelbob er et system med mange kropper med mange, mange atomer, og det er et massesentermodus for pendelen som kan svinge for alltid. Men over tid blir energien omfordelt fra massesentermodus til alle de andre tallrike interne modusene til alle atomene som utgjør pendelbobben. Og til slutt, den bevegelsen som omfordelingen får pendelen til å hvile i denne entropi-maksimerte likevektstilstanden.
Strogatz (10:25): Så hvis jeg forstår deg, sier du at hvis jeg hadde en stang som for eksempel laget av stål, og så på enden av stangen, er det en tung ball, det er pendelbobben min, selv om Jeg hadde en perfekt peiling på toppen av pendelens arm, slik at jeg ikke fikk noen friksjon av å svinge på det lageret. Hvis jeg hører deg, ikke sant, sier du at over tid, vil svingingen av pendelen føre til at jernet eller stålstangen på en måte blir innvendig – den er også laget av atomer – atomene vil begynne å jiggle. Det ville virke umerkelig for det blotte øye, men det ville være en slags jiggling eller oppvarming eller noe som skjer med den opphengsstangen som over tid, selv med en perfekt peiling, ville føre til at pendelen fuktes ut.
Khemani (11:11): Akkurat. Og selv om du ikke hadde en opphengsstang, men hadde en usynlig perfekt streng, ville selve boben ha mange, mange atomer.
Strogatz (11:21): Ah, bob, ok, mann. Det er virkelig vanskelig å komme utenom denne andre loven.
Khemani: Nøyaktig.
Strogatz (11:27): Ja. Så la meg prøve ut noe med deg her, det er litt dumt, men... jeg prøver å forestille meg hva, vet du... Du har nevnt kontinuerlig symmetri i tid eller diskret symmetri i tid. Er det en måte du kan synge dem for oss? For eksempel, hvordan ville kontinuerlig symmetri høres ut? Hvordan vil diskret symmetri høres ut?
Khemani (11:45): OK, så kontinuerlig symmetri er bare en konstant nynning, om du vil: Hmmm. Mens diskret symmetri ville være pip pip pip pip pip. Så en periodisk repetisjon for alltid. Nå en tidskrystall faktisk - tidskrystallene som vi har innsett, de bryter faktisk ikke kontinuerlig oversettelsessymmetri, men de bryter ytterligere diskret oversettelsessymmetri. Så det betyr at systemet, ligningene som vi startet med, allerede hadde pip pip pip pip pip. Og så kommer tidskrystallen inn og gjør det pip bop pip bop pip bop. Så selv om ligningene våre gjentok seg, for eksempel hvert sekund, gjentas tidskrystallen nå hvert annet sekund. OK? Så den bryter den diskrete symmetrien lenger ned til en enda mindre, diskret symmetri.
Strogatz (12:43): OK. Og er der - jeg mener, det høres ut som en slags jazzy melodi. Men jeg lurer på hvorfor for en fysiker skulle det være bemerkelsesverdig? Som, hvorfor er det - fordi det er en stor sak, du og kollegene dine med den eksperimentelle realiseringen av dem. Hva er spennende med dette for deg?
Khemani (13:01): Så for meg er det virkelig spennende med dette at tidskrystaller er et nytt eksempel på en ikke-likevektsfase av materie. OK, så jeg er en mangekroppsfysiker, jeg studerer de fremvoksende fenomenene med systemer med mange, mange partikler. Og dette har vært en veldig rik lekeplass, vet du. Du kan ikke snakke om faser av materie for et enkelt atom. Det er umulig å si om et enkelt vannmolekyl er i en flytende fase eller en fast fase. Men når du setter sammen milliarder og milliarder av atomer - mange, mange partikler - så kan du få alle slags nye fremvoksende fenomener, alt fra kjente faste stoffer, væsker og gasser til mye mer eksotiske ting som halvledere og superledere.
(13:51) Og mye av de siste tiårene med kvantefysikk har blitt brukt på å tenke på, du vet, alle de eksotiske, fantastiske egenskapene som systemer med mange sterkt interagerende kvantepartikler kan vise. Men all denne forståelsen er grunnleggende avhengig av lovene for likevektstermodynamikk, OK? Og grunnen til det er at det er veldig, veldig vanskelig å beskrive systemer med milliarder av partikler, vet du. De, det er noe i kvantemekanikken, det er kvantetilstander som lever i det som er kjent som Hilbert-rommet, og Hilbert-rommet er eksponentielt stort. Hvis du tenker på tilstanden til bare én partikkel som kanskje kan være — la oss bare forenkle og si at det kan være en av to tilstander, opp eller ned, hode eller hale.
(14:44) Men la oss nå se på to partikler. Du vet, nå er det fire stater. Se på tre partikler, det er åtte. Og dette tallet vokser raskt astronomisk. Så når man beskriver systemer med mange, mange partikler, er det håpløst å prøve å holde styr på hver enkelt partikkel. Det vi gjør er i stedet å stole på noen makroskopiske statistiske beskrivelser av disse mange-partikkelsystemene – slik at du kan snakke om ting som temperatur, tetthet – og du bruker disse makroskopiske variablene for å karakterisere kvantetilstanden din. Og så i form av det - og så kan du ta de likevektstilstandene definert i form av noen få makroskopiske variabler og snakke om faser av materie. OK, så dette har vært programmet de siste tiårene. Men du vet, likevekt er bare et bitte lite hjørne av alt som er mulig, ikke sant? Hvis du tenker på verden rundt deg, er ingenting i likevekt. Ikke sant?
(15:44) Så å tenke på likevektstilstander er et så lite hjørne av hva som er mulig i beskrivelsen av kvantemekaniske systemer. Og nå for første gang har vi faktisk et vindu - både eksperimentelt og teoretisk - vi har et håndtak på hvordan vi skal tenke på ikke-likevektstilstander av kvantestoff. Og i disse ikke-likevektsinnstillingene er det mulig at termodynamikkens lover som vi stolte så mye på rett og slett ikke gjelder.
Strogatz (16:20): Kanskje, vel, la oss... Før vi går inn på det, fordi du stadig nevner "likevekt." Det er et ord som brukes i vanlig tale. Folk vet, du vet, «jeg er i likevekt; Jeg er ikke, liksom, jeg beveger meg ikke, jeg er balansert.» Men hva mener du når du sier likevekt? Fordi du fortsetter å snakke om mange partikler, eller mange kroppssystemer. Så hva er, på en enkel måte, hva betyr det å være i likevekt? Eller hva vil det si å være ute av likevekt?
Khemani (16:47): Med likevekt mener jeg at visse statistiske makroskopiske egenskaper til systemet ikke endres over tid, selv som mikroskopisk sett kan systemet være over alt og i stadig endring,
Strogatz (17:01): OK, som om jeg sitter her i et studio hvor luften på rommet mitt holder på, det... Jeg la ikke merke til noen plutselig frysning i rommet. Temperaturen holder seg den samme, men de enkelte luftmolekylene glider rundt i rommet.
Khemani (17:15): Akkurat. Så tenk deg at du skapte en barriere. Anta at du malte alle luftmolekylene rosa, og du valgte ett molekyl og du malte det svart. Og la oss si at du starter med en barriere slik at alle molekylene dine startet i den ene halvdelen av rommet. Og så løftet du barrieren, og du ventet litt, ok? Da ville tettheten til disse molekylene veldig raskt se ensartet ut statistisk overalt. Men hvis du prøver å ta det ene sporstoffmolekylet, som var svart, glider det fortsatt rundt som en gal, ikke sant? Så hvis du prøvde å spore det ene molekylet, er det aldri i likevekt.
Strogatz: OK.
Khemani (17:57): Men hvis du prøver å spore noe sånt som tettheten av molekyler i en hvilken som helst region i rommet, så viser det en innledende forbigående og deretter slår seg ned i en nesten likevektstilstand. Ikke sant.
Strogatz (18:10): Ja. Og jeg tror folk vet dette fra den tiden da røyking pleide å være tillatt på offentlige steder, ikke sant? Som om noen der borte slipper ut et røyk. Og så hvis du ventet lenge nok, og som om du satt fast på et fly med dem eller noe, ville den røyken diffundere rundt i hele rommet, og til slutt, du vet - la oss anta at de har sluttet å røyke nå - som i hele rommet ville være jevnt fylt med røykpartiklene, og du ville ikke legge merke til noen sky eller struktur. Ja. OK. Så ting kommer til likevekt på en måte under disse forholdene, hvis de er avstengt, og bare ingen energi kommer inn eller går ut eller, ja, ok, men hvordan ser «ute av likevekt» ut?
Khemani (18:50): «Ut av likevekt» vil sjokkerende nok være at du setter i gang igjen, med all luften i høyre halvdel av rommet, og du løftet barrieren. Og så ventet du og du ventet og du ventet og du ventet, og du kom tilbake og du fant fortsatt ut at det meste av luften din satt fast i venstre halvdel av rommet, selv om det ikke var noen fysisk barriere som hindret den i å forlate .
Strogatz (19:13): Det vil si, det er et merkelig bilde.
Khemani (19:16): Ja. Så det høres sprøtt ut. Men i et faktisk system av kvanteatomer, i kvantemiljøet, er dette et fenomen kjent som mangekroppslokalisering. Lokalisering betyr bare at ting setter seg fast.
(19:30) OK. Så dette eksperimentet ble faktisk gjort i laboratoriet i en eksperimentell gruppe i Tyskland, hvor de forberedte en atomfelle der alle atomene var på venstre halvdel av fellen, og så ventet de lenge, så lenge eksperimentet deres var. ville tillate, og så kom de tilbake og atomene forble fortrinnsvis i venstre halvdel av fellen.
(19:56) Så i kvantemiljøet vet vi nå at dette er en mulighet. Og grunnen til at dette kommer helt rundt termodynamikkens andre lov - jeg vil ikke si "bryter den", det er bare en setting der termodynamikkens lov ikke gjelder. Og det er fordi termodynamikkens andre lov forteller deg at systemer når entropi-maksimerende likevektstilstander, OK? Så ved å maksimere entropi betyr det bare at det kommer til å gå overalt. OK?
(20:28) Så den utforsker bare alt som er tilgjengelig for den. Men i innstillingene som jeg fortalte deg om, hvis du starter med atomer i venstre halvdel og de forblir i venstre halvdel, så utforsker de tydeligvis ikke all plassen som er tilgjengelig for dem, fordi de ikke lekker inn i høyre halvdel, ikke sant?
Strogatz: Ja.
Khemani (20:47): Så vi snakker om kvantesystemer som kan forbli utenfor likevekt. Noe som betyr at alle våre vanlige forestillinger om hvordan man tenker på faser av materie som er begrenset av lovene for likevekts termodynamikk bør tas opp igjen. Og det som virkelig er spennende er at hele universet av alt som vi kan være i stand til å få i denne nye kvanteinnstillingen som ikke er likevekt, er bare helt åpen, vet du? Så tidskrystaller er bare toppen av isfjellet. Og jeg tror det bare er et veldig slående eksempel på en slags nye fenomener utenfor likevekt. Men egentlig, det som er spennende for meg er hva annet som er der ute, vet du? Alt vi som vi trodde vi visste, kan vi nå tenke på nytt.
Strogatz (21:35): Disse fantastiske mulighetene du beskriver, av disse kvante-mangekroppssystemene som på en eller annen måte klarer å holde seg langt fra likevekt, jeg vet ikke om jeg noen gang har sett en i huset mitt. Er det noe som skjer i den naturlige verden?
Khemani (21:50): Nei, nei. Så i motsetning til diamant eller steinsalt, du vet, kan du ikke gå i gruvedrift etter tidskrystaller. Så disse er, dette er fenomener som eksisterer i høyt konstruerte kvantesystemer. Så mange av disse teoretiske fremskrittene i å tenke på kvantesystemer som forblir ute av likevekt for alltid, har vært motivert delvis på grunn av eksperimentelle fremskritt i å bygge kvantekoherente og kontrollerbare systemer.
Strogatz (22:23): Det høres ut som om du er i ferd med å si kvanteberegning, at det er et kappløp rundt om i verden i Kina, i USA, i Europa for å bygge denne tingen som folk har snakket om i flere tiår nå, ideen av å bruke kvantemekanikk i en ny type datamaskin. Så det er maskinvaren det høres ut som du snakker om.
Khemani (22:41): Ja, det stemmer. Og faktisk har mye av denne innsatsen vært motivert av søken etter å bygge en kvantedatamaskin. Vi er veldig, veldig langt derfra nå. Og uansett om vi til slutt kommer dit eller ikke, er disse nye systemene, disse nye plattformene som laboratorier rundt om i verden har bygget, allerede fantastiske som nye typer eksperimenter for mangekroppsfysikk.
Strogatz (23:03): Jeg vil bare understreke det. Jeg vil ikke kutte deg. Men jeg synes det er så kult at du nettopp sa, jeg vil sørge for at lytterne våre har hørt det. Fordi folk har hørt all denne hypen om kvantedatabehandling og hvordan den kommer til å bryte kryptografien vår på internett, eller det kommer til dette eller det kommer til å bli det. OK, vi får se, det kan vise seg å være sant eller ikke. Men vi er, som du sier, vi er langt fra det.
Khemani: Riktig.
Strogatz (23:25): Men det vi har er det du nettopp kalte disse kvanteplattformene som en dag kan gi oss kvantedatamaskiner, men akkurat nå gir de oss disse nye kvantelekeplassene, eller sandkassene, for å gjøre veldig interessante eksperimenter og se rare nye fysiske fenomener.
Khemani (23:40): Akkurat. Og disse nye eksperimentene lar oss undersøke kvantestoff på måter som er ekstremt forskjellige fra eksperimentene vi hadde tilgang til. Du vet, tidligere ble eksperimentene dine designet for å undersøke fenomener i nesten likevekt. Du starter med en prøve. Du kobler noen ledninger til den. Kanskje ledningene har litt forskjellige temperaturer, du ser en strøm som flyter gjennom prøven, vet du? Men disse nye typene kvanteeksperimenter gir oss tilgang til helt nye regimer av kvantesystemer, spesielt utenfor likevektsregimer. Og de tillater oss også nye typer sonder inn i denne typen kvanteplattformer. Så for meg er det virkelig spennende at vi har nye eksperimenter som lar oss stille spørsmål om nye regimer der kvantestoff kan eksistere.
Strogatz (24:34): Så du samarbeidet med noen om dette. Jeg mener, du har ikke kvanteplattformen som vi snakker om i laboratoriet ditt.
Khemani (24:42): Nei, nei, jeg er helt i teorilandet.
Strogatz (24:45): OK. Du er en teoretiker. Greit. Du har ikke engang et laboratorium, høres det ut som.
Khemani: Ja.
Strogatz (24:49): Men hvem jobbet du med? Hvilken gruppe?
Khemani (24:52): Så vi jobbet med Google-teamet. Så Google har vært en av lederne i arbeidet med å bygge disse kvanteenhetene. Og spesielt har de en brikke som heter Sycamore-brikken deres. Så vi jobbet med teamet deres for å bruke deres kontrollerbare kvanteplattform til innse denne tidskrystallfasen.
Strogatz (25:12): Åh-he. Og så hva er noen av ingrediensene, da? I tidskrystallen din har du nevnt Sycamore-brikken fra Google. Er det nok? Trenger du andre komponenter?
Khemani (25:25): Så hva lar Sycamore-brikken deg gjøre. Så akkurat nå tenker vi på denne kvanteplattformen som en kvantesimulator. Nå, denne brikken, i forsøket på å bygge en kvantedatamaskin, det den lar deg gjøre er å realisere et system med qubits. OK, så hva er qubits først? Du vet at i en klassisk datamaskin har du bits, som er nuller og enere. Og fundamentalt sett er all beregning redusert til strenger med nuller og enere, og operasjoner som virker på disse strengene. OK? Du vet, i stedet for en bit, har vi en qubit, eller en quantum bit. Og denne qubiten kommer til å være i en blanding eller superposisjon, en sammenhengende blanding av null og én - helt til du går inn og foretar en måling. Og når du gjør en måling, så vet du om den er null eller én.
Strogatz (26:21): OK, men nå, i ditt tilfelle, kommer du ikke til å bruke Sycamore-brikken, eller denne kvanteplattformen, til å beregne noe. Du prøver ikke å løse et vanskelig beregningsproblem, men du prøver å bruke kvanteplattformens evne til å gjøre fantastiske triks i tide.
Khemani: Nøyaktig.
Strogatz (26:41): Det høres ut som, og du prøvde å få det til - vi snakket om pip pip og pip bop pip bop. Er det, kan vi kanskje knytte det tilbake til det nå? Hva fikk du brikken din til å gjøre?
Khemani (26:53): Ja, så enhver beregning er bare en tidsevolusjon. OK? Men hvis du vil at det skal faktorisere heltall, er det en veldig vanskelig, veldig spesifikk type beregning som er veldig vanskelig å gjøre. Men i mellomtiden, nå som vi har disse portene som får qubitene til å samhandle på visse måter for å få pip pip pip pip pip del av det ... La oss si at vi har to typer porter bare for å forenkle dette, OK? Vi har en type port som får qubitene til å samhandle med hverandre. Og så har vi en type port som snur tilstanden til qubiten.
Strogatz: OK, eh-he.
Khemani (27:31): Så det kvanteplattformen kan gjøre er å bruke en sekvens av porter på en periodisk måte. OK, så la oss si at jeg legger på et lag av de samvirkende portene, et lag av vippeportene, et lag av de samvirkende portene, et lag av vippeportene, OK. Og så kan jeg, jeg kan fortsette det i dette periodiske mønsteret. Så det er det pip pip pip pip pip pip pip.
Strogatz (27:57): Jeg skjønner, eh-he. Du pålegger det, du pålegger det på brikken —
Khemani: Jeg pålegger det på brikken.
Strogatz (28:02): — men brikken svarer ikke med den samme symmetrien.
Khemani (28:05): Akkurat. Og så går jeg inn og måler systemet mitt etter hver pip pip pip pip pip. Men det synes jeg faktisk staten gjør pip bop pip bop pip bop og kommer bare tilbake til seg selv annenhver periode og respekterer ikke den symmetrien. Og det som er viktig for å kalle det en fase av materie er at alt dette er stabilt. OK, så da kan du gå inn, og du kan endre parametrene til interaksjonsportene, du kan endre mengden du snur den med. Og i et utvidet spekter av parametere fortsetter du å få dette pip bop pip bop pip bop respons.
Strogatz (28:45): Jeg skjønner. Så det er ikke en veldig delikat, som super kirsebærplukket på en ting.
Khemani: Ikke i det hele tatt.
Strogatz (28:50): Den er ganske robust. Høres ut som den er helt robust.
Khemani (28:53): Akkurat. Vi kaller det "absolutt stabilt" i et av våre verk. Og det er viktig. Du vet, du vil kalle det en fase av materie, dette er virkelig - dette er virkelig veldig, veldig robust. Det er ikke en finjustert evolusjon på noen måte.
Strogatz (29:05): Kan du dele din egen følelse med oss da du først skjønte at denne ideen du hadde mange år tidligere fungerte i det virkelige liv? Som om du hoppet rundt i rommet? Begynte du å synge? Hva gjorde du?
Khemani (29:18): Nei, for det var en lang vei hit. Ikke sant? Så vi hadde denne ideen for mange år siden, og – beklager, det gjør jeg ikke – “Nei” høres veldig negativt ut!
Strogatz (29:27): Du kan si hva som helst. Fortell meg sannheten. Hva skjedde? Ja.
Khemani (29:32): Nei, dette var egentlig ikke som et eureka-øyeblikk, men det var flere år underveis. Så du vet, vi hadde denne teoretiske ideen om en type evolusjon, en type system som ville vise dette fenomenet. Og så var det mange fantastiske eksperimenter som, du vet, så deler av dette og veldig raskt prøvde å realisere noe av denne fysikken på mange forskjellige plattformer. Og du vet, alle disse forløpereksperimentene så visse aspekter av fysikken, men ikke fysikken i sin fulle prakt. I sin fulle prakt vet du at definisjonen av denne fasen av materie er gjennom noe som kalles egentilstandsorden, som strekker seg over hele spekteret av systemet. Det er, det er kvantekoherens ved veldig, veldig varme temperaturer - du vet, at det ikke er helt nøyaktig, men ved veldig høye energier. OK? Og, og ingen eksperiment hadde virkelig sett den delen av det.
(30:31) OK, så. Så det vi gjorde i løpet av de mange årene siden den teoretiske unnfangelsen og forløpereksperimentene er virkelig arbeid for å identifisere hva det ville ta... Du vet, hva er de typer programmerbare interaksjoner vi ville se etter i en kvanteplattform? Og hva er typene evner for målinger vi ville se etter i en plattform for å kunne utføre denne typen eksperimenter. Og det krevde bare mye detaljert analyse av hva forskjellige eksperimenter hadde gjort, hva de hadde oppnådd, hva som manglet. Og så vi så rundt, tenkte vi: "OK, Google-eksperimentet i sin nåværende inkarnasjon, med de egenskapene de hadde, er en god plattform, [det] sjekker alle boksene for å kunne realisere denne fysikken." Så da henvendte vi oss til Google-teamet, og det gikk derfra.
Strogatz (31:24): Nå, denne ideen om å bruke disse kvanteplattformene, du vet, som datamaskiner, er det faktisk en slags gammel idé, ikke sant? Gå tilbake til Richard Feynman, den store Caltech-fysikeren og jokeren - klok, rampete, også en god lærer, en problematisk person i visse henseender. Men uansett. Feynman hadde denne visjonen om kvanteberegning. Jeg lurer på hva - kanskje du kan oppsummere det for oss? Hva trodde han kvantedatamaskiner kunne brukes til? Og hva tror du han ville ha tenkt om det du gjorde? Bare for å spekulere.
Khemani (31:58): Det er faktisk — Feynman var den som sa at hvis du prøver å simulere kvantestoff, vel, bruk en kvantedatamaskin. Ikke sant? Fordi kvantematerie lever i dette eksponentielt store Hilbert-rommet. [Hvis du] prøver å simulere kvantesystemer på din klassiske datamaskin, prøver du å få plass til en firkantet pinne i et rundt hull. Det er bare ikke laget for det. Du vet, jeg tror Feynman virkelig fikk oss i gang med å tenke på disse kvantesystemene som kvantesimulatorer. Og eksperimentet vårt er virkelig et eksempel på en kvantesimulering.
Strogatz (32:33): Trenger fysikere kvantedatamaskiner? Tror du at datamaskinene som bruker enten Sycamore-arkitekturen eller noe annet faktisk vil hjelpe fysikere å fortsette å forstå eller til og med oppdage nye eksotiske former for kvantematerie?
Khemani (32:49): Ja, og det tror jeg de allerede har. Ikke sant? Fordi jeg tror evnen til å eksperimentelt innse og studere og undersøke kvantematerie på alle disse forskjellige, ikke-likevektsmåtene har tvunget oss i Theory Land til å virkelig tenke på alle de fantastiske tingene som kvantesystemer kan gjøre i regimer som er langt fra det. vi var vant til å tenke på. Og dette har allerede ført til mange fantastiske nye typer fenomener som vi har forstått, som tidskrystaller, på nye muligheter for kvantesystemer som er utenfor likevekt. Og sannelig, håpet er at på et tidspunkt, vet du, denne nye teoretiske forståelsen av hva isolerte kvantesystemer av kvantedynamikk kan gjøre, vil da føre tilbake til også å skyve konvolutten og bygge bedre kvanteplattformer. Jeg tror det er en veldig produktiv syklus.
Strogatz (33:48): Å-he. Vel, jeg er sikker på at noen av lytterne våre lurer på det. Forventer vi å se søknader komme? Du vet, utenfor et fysikklaboratorium? Vel, si for tidskrystaller, eller kanskje etterfølgerne til tidskrystaller, materiens enda mer eksotiske tilstander? Kunne vi noen gang hatt noe sånt som at transistoren en gang var et spennende kvantesystem som den gang - nå er den i hver, du vet, hver radio, hver datamaskin?
Khemani (34:12): Ja, jeg tror, jeg tror du svarte på spørsmålet. Det vil si at grunnen til at jeg jobber med dette er for gleden det gir meg å forstå hva forskjellige kvantesystemer kan gjøre. Men når som helst du har en ny stabil fase av materie som kan gjøre uventede ting ... Du vet, muligheten for at den kan brukes i en eller annen form for applikasjon er alltid reell, ikke sant? Som da Einstein tenkte på generell relativitet, så han ikke forutsett at det ville være det, det ville komme inn i GPS-en din på telefonen din, ikke sant? Og som du sa, når folk tenkte på halvledere, kunne de absolutt ikke ha sett for seg halvlederrevolusjonen som fulgte.
Strogatz (35:00): Vel, det er et veldig inspirerende eksempel på nysgjerrighetsdrevet forskning. Jeg mener, jeg elsker måten du kommer ut og sier at du gjør det for gleden, bare for å undersøke den merkelige og fascinerende oppførselen som er mulig i kvantesystemer. Og vi vet ennå ikke hvor det vil gå. Men vi trenger folk som deg, med nysgjerrighet, som gjør det bare for spenningen. Så Vedika Khemani. Tusen takk for at du snakket med oss i dag.
Khemani (35:25): Takk, Steve. Det var kjempegøy.
Hallo (35:29): Hold deg oppdatert på de siste hendelsene innen naturfag og matematikk. Meld deg på Quanta Magazine nyhetsbrev. Det er gratis, og lander hver fredag i e-postinnboksen din. Gå til quantamagazine.org for mer informasjon om hvordan du registrerer deg.
Strogatz (35: 43): Gleden over hvorfor er en podcast fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon støttet av Simons Foundation. Finansieringsbeslutninger fra Simons Foundation har ingen innflytelse på valg av emner, gjester eller andre redaksjonelle beslutninger i denne podcasten eller i Quanta Magazine. Gleden over hvorfor er produsert av Susan Valot og Polly Stryker. Redaktørene våre er John Rennie og Thomas Lin, med støtte fra Matt Carlstrom, Annie Melchor og Allison Parshall [samt Nona McKenna og Zack Savitsky]. Temamusikken vår ble komponert av Richie Johnson. Spesiell takk til Bert Odom-Reed ved Cornell Broadcast Studios. Logoen vår er av Jaki King. Jeg er verten din Steve Strogatz. Hvis du har spørsmål eller kommentarer til oss, vennligst send oss en e-post på Takk for at du lyttet.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
- kilde: https://www.quantamagazine.org/is-perpetual-motion-possible-at-the-quantum-level-20230503/
- : har
- :er
- :ikke
- :hvor
- ][s
- $OPP
- 10
- 10:25
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15%
- 20
- 2021
- 22
- 23
- 24
- 26%
- 27
- 28
- 30
- 40
- 49
- 50
- a
- evne
- I stand
- Om oss
- om det
- Om Quantum
- ovenfor
- akseptert
- adgang
- nøyaktig
- oppnådd
- tvers
- faktisk
- fremskritt
- Etter
- en gang til
- siden
- AIR
- Alle
- tillate
- tillate
- tillater
- langs
- allerede
- Ok
- også
- alltid
- utrolig
- Amazon
- beløp
- an
- analyse
- og
- besvare
- noen
- noen
- hva som helst
- app
- eple
- Søknad
- søknader
- Påfør
- arkitektur
- ER
- ARM
- rundt
- anordnet
- Array
- AS
- aspekter
- Assistent
- At
- atom
- tilgjengelig
- unngå
- tilbake
- ball
- Bar
- barriere
- basert
- batteri
- BE
- vakker
- fordi
- vært
- før du
- være
- tro
- antatt
- bets
- Bedre
- mellom
- Stor
- Biggest
- milliarder
- Bit
- Svart
- bob
- kroppen
- både
- Bunn
- bokser
- Break
- Breaking
- pauser
- gjennombrudd
- Bringe
- kringkaste
- Brutt
- bygge
- Bygning
- bygget
- men
- kjøpe
- by
- ring
- som heter
- kom
- CAN
- Kan få
- evner
- saken
- Årsak
- årsaker
- sentrum
- viss
- Gjerne
- endring
- Endringer
- endring
- karakter
- Sjekker
- Kina
- chip
- klart
- klokke
- Klokker
- stengt
- SAMMENHENGENDE
- samarbeidet
- kollegaer
- Kom
- kommer
- kommer
- kommentarer
- helt
- komponenter
- komponert
- beregningen
- Beregn
- datamaskin
- datamaskiner
- databehandling
- unnfangelse
- forhold
- Koble
- konsistent
- konstant
- stadig
- fortsette
- fortsetter
- kontinuerlig
- Kul
- cornell
- Corner
- korrigere
- kunne
- gal
- skape
- opprettet
- kryptografi
- Krystall
- nysgjerrighet
- nysgjerrig
- Gjeldende
- Kutt
- syklus
- Dato
- dag
- Dager
- avtale
- tiår
- avgjørelser
- definert
- demonstrert
- avhengighet
- beskrive
- beskrevet
- beskrivelse
- designet
- detaljert
- utviklingen
- Enheter
- Diamant
- gJORDE
- forskjell
- forskjellig
- vanskelig
- DIG
- katastrofe
- oppdage
- oppdaget
- Vise
- do
- gjør
- ikke
- gjør
- gjort
- ikke
- ned
- Downtown
- drevet
- to
- dynamikk
- hver enkelt
- Tidligere
- lett
- Redaksjonell
- innsats
- enten
- emalje
- veksten
- aktivert
- slutt
- energi
- nok
- Hele
- Miljø
- episode
- like
- ligninger
- Equilibrium
- Tilsvarende
- Europa
- Selv
- etter hvert
- NOEN GANG
- stadig skiftende
- Hver
- hverdagen
- alt
- evolusjon
- utvikle seg
- nøyaktig
- eksempel
- opphisset
- Kjøreglede
- spennende
- eksisterer
- Eksotisk
- ekspanderende
- forvente
- eksperiment
- eksperimenter
- Forklar
- utforsker
- Utforske
- eksponentielt
- ekstremt
- øye
- faktor
- kjent
- langt
- fascinerende
- Mote
- Favoritt
- Noen få
- Fiction
- fylt
- Finn
- Først
- første gang
- passer
- Flip
- flips
- Rennende
- fulgt
- Til
- for alltid
- skjemaer
- videre
- funnet
- Fundament
- fire
- Gratis
- friksjon
- friksjons
- Fredag
- fra
- fullt
- fullt
- moro
- fundamental
- fundamentalt
- finansiering
- videre
- Gates
- general
- Tyskland
- få
- få
- Gi
- gitt
- gir
- Giving
- Go
- Går
- skal
- god
- gps
- flott
- Gruppe
- Vokser
- Gjest
- gjester
- HAD
- Halvparten
- hånd
- håndtere
- skje
- skjedde
- Skjer
- Hard
- maskinvare
- Ha
- å ha
- he
- hode
- høre
- hørt
- hørsel
- tung
- hjelpe
- hjulpet
- her
- her.
- hi
- Høy
- svært
- Hole
- håp
- forhåpentligvis
- Horizons
- vert
- HOT
- hus
- Hvordan
- Hvordan
- HTTPS
- Hype
- i
- ICE
- Tanken
- ideell
- identifisere
- if
- bilde
- forestille
- viktig
- pålegge
- umulig
- in
- Inkludert
- uavhengig
- individuelt
- påvirke
- info
- innledende
- inngang
- inspirerende
- i stedet
- samhandle
- samhandler
- interaksjon
- interaksjoner
- interessant
- intern
- internt
- Internet
- inn
- invitasjon
- isolert
- IT
- DET ER
- selv
- John
- Johnson
- tiltrer
- Joker
- hoppe
- bare
- bare én
- Hold
- holde
- Type
- konge
- Vet
- kjent
- lab
- laboratorium
- Labs
- Tomt
- landing
- stor
- Siste
- seinere
- siste
- Law
- Lover
- lag
- ledere
- Fører
- minst
- forlater
- Led
- venstre
- mindre
- la
- Nivå
- Life
- Løftet
- i likhet med
- linje
- Flytende
- Lytting
- lite
- leve
- Bor
- Lokalisering
- logo
- Lang
- lang tid
- Se
- ser ut som
- ser
- UTSEENDE
- tap
- Lot
- elsker
- lavere
- maskin
- maskiner
- laget
- gjøre
- Making
- mann
- administrer
- måte
- mange
- Mass
- math
- matematikk
- Saken
- Kan..
- bety
- midler
- Mellomtiden
- måle
- måling
- målinger
- mekanisk
- mekanikk
- medlem
- nevnt
- kunne
- tankene
- Gruvedrift
- mangler
- blanding
- Mote
- moduser
- molekyl
- øyeblikk
- mer
- mest
- bevegelse
- motivert
- flytting
- mye
- musikk
- Naturlig
- Natur
- Trenger
- behov
- nett
- aldri
- Ny
- nye horisonter
- Nyhetsbrev
- neste
- Nei.
- bemerkelsesverdig
- ingenting
- Legge merke til..
- roman
- nå
- Antall
- mange
- of
- off
- ofte
- Gammel
- on
- gang
- ONE
- seg
- bare
- åpen
- Drift
- motsetning
- or
- rekkefølge
- vanlig
- Annen
- vår
- ut
- utenfor
- enn
- egen
- parametere
- del
- Spesielt
- Past
- banen
- Mønster
- Peg
- Ansatte
- perfekt
- periodisk
- perioder
- Perpetual
- person
- fase
- Faser av saken
- fenomen
- telefon
- fysisk
- Fysikk
- plukke
- plukket
- stykker
- Sted
- steder
- plattform
- Plattformer
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- Spille
- vær så snill
- Tilkoblet
- podcast
- Podcasting
- Point
- muligheter
- mulighet
- mulig
- forløper
- forberedt
- pen
- hindre
- premie
- probe
- Problem
- produsert
- produktiv
- Professor
- program
- egenskaper
- beskyttet
- utprøvd
- offentlig
- Utgivelse
- Skyver
- sette
- Sette
- Quantamagazin
- Quantum
- Kvantedatamaskin
- kvante datamaskiner
- kvanteberegning
- Kvantemekanikk
- kvantepartikler
- kvantefysikken
- kvantesystemer
- qubit
- qubits
- søken
- spørsmål
- spørsmål
- raskt
- Race
- radio
- Rampe
- område
- spenner
- å nå
- ekte
- ekte liv
- Reality
- realisering
- realisere
- realisert
- virkelig
- grunnen til
- grunner
- nylig
- Redusert
- regime
- dietter
- region
- Slappe av
- avhengige
- forbli
- forble
- gjenta
- påkrevd
- forskning
- respekt
- Svare
- svar
- REST
- Resultater
- Revolution
- Rich
- Richard
- robust
- Rock
- rom
- runde
- rennende
- s
- Sa
- salt
- samme
- sandkasse
- Sandkasser
- sier
- sier
- sier
- Vitenskap
- Science Fiction
- Sekund
- sekunder
- se
- synes
- sett
- utvalg
- halvledere
- Halvledere
- forstand
- Sequence
- innstilling
- innstillinger
- bosetter
- flere
- Del
- hun
- Shop
- bør
- Vis
- Viser
- undertegne
- betydning
- Enkelt
- forenkle
- ganske enkelt
- simulering
- simulator
- siden
- enkelt
- Sittende
- litt annerledes
- liten
- mindre
- Røyk
- So
- solid
- LØSE
- noen
- en dag
- noe
- Lyd
- kilde
- Rom
- Plass og tid
- spesiell
- spesifikk
- spektakulær
- Spectrum
- tale
- brukt
- Spotify
- kvadrat
- stabil
- stanford
- Stanford University
- Begynn
- startet
- Tilstand
- Når det gjelder
- Stater
- statistisk
- opphold
- Steve
- Still
- stoppet
- String
- sterk
- struktur
- studio
- studioer
- Studer
- vellykket
- slik
- plutselig
- oppsummere
- Super
- super
- støtte
- Støttes
- sikkert
- Susan
- suspensjon
- Svinge
- system
- Systemer
- Ta
- tar
- Snakk
- snakker
- lag
- fortelle
- forteller
- vilkår
- Takk
- Det
- De
- loven
- Køen
- Staten
- verden
- deres
- Dem
- tema
- deretter
- teoretiske
- Der.
- Disse
- de
- ting
- ting
- tror
- tenker
- denne
- De
- selv om?
- trodde
- tre
- Gjennom
- SLIPS
- tid
- typen
- til
- i dag
- sammen
- i morgen
- også
- topp
- temaer
- HELT KLART
- mot
- trekke
- spor
- oversette
- Oversettelse
- prøvd
- utløst
- sant
- Sannhet
- SVING
- to
- typen
- typer
- oss
- forstå
- forståelse
- forstås
- Uventet
- Universe
- universitet
- I motsetning til
- til
- us
- bruke
- brukt
- ved hjelp av
- vanligvis
- Vakuum
- veldig
- syn
- volum
- walking
- Wall
- ønsker
- var
- Vann
- Vei..
- måter
- we
- webp
- uke
- velkommen
- VI VIL
- var
- Hva
- Hva er
- når
- om
- hvilken
- mens
- HVEM
- hele
- hvorfor
- vil
- visdom
- med
- uten
- lurer
- ord
- Arbeid
- arbeidet
- arbeid
- virker
- verden
- ville
- år
- ennå
- Du
- Din
- zephyrnet
- null