Zaman Kristali Sonunda Gerçek Oldu! Enerjiye İhtiyaç Duymayan Sonsuz Değişim Mümkün Olabilir mi?

5 Ağustos 2021 akşamı online yayınlanan bir ön baskıda, Stanford, Princeton ve diğer üniversitelerle iş birliği yapan Google araştırmacıları, Google kuantum bilgisayarını gerçek bir zaman kristali oluşturmak için kullandığını söyledi.^[1] Ayrı bir araştırma grubu da bu ayın başlarında, bir elmasta zaman kristali oluşturduğunu iddia etti.^[2]

Fizikçilerin yıllardır oluşturmak için uğraştıkları maddenin yeni bir hâli olan zaman kristali, parçaları düzenli ve tekrarlı bir döngüde hareket eden ve bu sürekli değişimi herhangi bir enerji tüketmeden sürdüren bir cisimdir. Almanya'nın Dresden şehrindeki Max Planck Enstitüsü Karmaşık Sistemler Fiziği müdürü ve Google makalesinin yazarlarından Roderich Moessner şöyle diyor:

Sonuç muazzam: termodinamiğin ikinci yasasının bir nevi önüne geçiyorsunuz.

İkinci yasa, entropinin sürekli arttığını söyleyen yasadır.

Zaman kristalleri, stabil bir cismin zaman içinde değişmeyeceğini söyleyen zaman öteleme simetrisini de kendiliğinden bozan ilk cisimlerdir. Zaman kristali hem stabil, hem de zaman içinde periyodik aralıklarla gelen özel anlar sayesinde sürekli değişen bir cisimdir.

Zaman kristali, madde hâllerinin yeni bir kategorisidir, dolayısıyla hâlin ne olduğunun tanımını da genişletir. Su veya buz gibi bilinen tüm diğer hâller termal dengededir: ortam sıcaklığı, bileşen atomlarının en düşük enerjiye sahip olmalarını sağlamıştır ve bu özellikler zamanla değişmeyecektir. Zaman kristali cisimlerin ilk "denge dışı" hâlidir: uyarılmış ve gelişen bir durumda olmasına rağmen mükemmel bir dengeye ve düzene sahiptir. Şu anda Stanford'da yoğun madde fizikçisi olan, yüksek lisans öğrencisiyken maddenin yeni hâlini keşfeden araştırmacılardan olan ve yeni makalenin Google ekibiyle birlikte yazarlığını yapan Vedika Khemani şöyle diyor:

Bu, şu anda üzerinde çalıştığımız çok yeni ve heyecan verici bir alan.

Princeton Üniversitesi'nden Khemani, Moessner ve Shivaji Sondhi ve Birleşik Krallık'taki Loughborough Üniversitesi'nden Achilleas Lazarides, 2015 yılında maddenin bu hâlinin olasılığını keşfedip temel özelliklerini açıklamıştı; çok geçmeden Chetan Nayak liderliğinde Microsoft Station Q ve California, Santa Barbara Üniversitesi'nden bir grup fizikçi de bu maddenin zaman kristali olduğunu keşfetmişti.

Araştırmacılar, son beş yıldır zaman kristali oluşturmak için rekabet içindeydiler; ancak önceki denemeler kendi çaplarında başarılı olsa da, zaman kristalini yapabilmek için gereken tüm kriterleri karşılamada başarısız oldu.^[3] Yeni çalışmaya dahil olmayan, Oxford Üniversitesi'nde yoğun madde fizikçisi John Chalker şöyle diyor:

Önceki deneylerin hiçbirinin tamamen başarılı olmadığını düşünmek için yeterli neden var ve Google'ın kuantum bilgisayarı gibi bir bilgisayar da önceki deneylerden çok daha fazlasını yapabilmek için gayet elverişli.

Google'ın kuantum hesaplama ekibi, 2019'da sıradan bilgisayarların normal bir süre içinde yapamayacağı düşünülen ilk hesaplamayı yaptığında manşetlere çıkmıştı.^[4] Bu görevin asıl amacı bir ilerleme kaydedildiğini göstermek olduğundan, fazla ilgi uyandırmamıştı. Yeni zaman kristali ise, bir kuantum bilgisayarının kazançlı bir iş bulduğu ilk zamanlardan birini işaret ediyor. Nayak şöyle diyor:

Bu, Google işlemcisinin harika bir kullanımı.

Yayınlanmak üzere gönderilen ön baskı ve diğer yeni sonuçlarla birlikte, araştırmacılar, kuantum bilgisayarla ilgili asıl ümidi gerçekleştirmiş oldu.^[5] Fizikçi Richard Feynman, 1982'de cihazlarla ilgili yazdığı makalede, kuantum bilgisayarlarının hayal edilebilecek herhangi bir kuantum sisteminin parçacıklarını simüle etmek için kullanılabileceklerini öne sürmüştü.^[6]

Zaman kristali de Feynman'ın bu öngörüsüne bir örnek. Hassas bileşenlerinin karmaşık kombinasyonuna bakıldığında, doğanın muhtemelen asla yaratmayacağı bir kuantum cismi olduğu söylenebilir. Hayal gücü, doğanın en şaşırtıcı yasalarıyla karışmış bu tarifi yaratmayı başardı.

Google

İmkansız Bir Fikir, Hayata Geçirildi

Orijinal zaman kristali kavramının kaçınılmaz bir kusuru vardı.

Nobel ödüllü fizikçi Frank Wilczek, 2012'de sıradan (uzaysal) kristaller hakkında bir ders verirken bu fikri öne sürmüştü. Kısa bir süre sonra Quanta Magazine'e, "Uzaydaki kristalleri düşünürseniz, zaman içinde kristal davranışının sınıflandırılmasını da düşünmek çok doğaldır." demişti.^[7]

Bir karbon atomu kümesinin kristal hâli olan bir elmas düşünün. Küme, uzayda her yerde aynı denklemler tarafından yönetilir; ancak atomların kafes noktalarında konumlandığı periyodik uzaysal varyasyonlara sahip bir biçim alır. Fizikçiler kristalin bu şekilde zaman öteleme simetrisini kendiliğinden bozduğunu söylüyor. Yalnızca minimum enerji denge durumları bu şekilde uzaysal simetrileri kendiliğinden bozar.

Wilczek, elmas gibi dengede olan çok parçalı bir cismi zihninde canlandırdı. Ama bu cisim, zaman öteleme simetrisini bozuyordu: periyodik olarak hareket edip düzenli aralıklarla ilk atomik biçimine dönüyordu. Wilczek'in önerdiği zaman kristali, örneğin bir duvar saatinden -periyodik olarak hareket eden bir başka cisimden- tamamen farklıydı. Saat kolları enerji tüketir ve pil bittiğinde durur. Bir Wilczek zaman kristali ise girdi (enerji) gerektirmez ve bu sistem ultra stabil denge durumunda olduğu için süresiz olarak devam eder.

Kulağa mantıksız geliyorsa, haklısınız: pek çok heyecan ve tartışmadan sonra, 2014 yılındaki bir kanıt, tarih boyunca tasarlanan diğer tüm sürekli hareket makineleri gibi Wilczek açıklamasının da başarısız olduğunu gösterdi.^[8]

O yıl, Princeton'daki araştırmacılar başka bir şey düşünüyorlardı. Khemani ve doktora danışmanı Sondhi, Anderson lokalizasyonunun bir ilavesi olan çok-cisim yerelleştirilmesi - 1958 Nobel ödüllü, bir elektronun sanki engebeli bir arazideki bir yarıkta sıkışabileceği gibi yerinde sıkışıp kalabileceği keşfi üzerinde çalışıyorlardı.

Bir elektron en iyi, farklı yerlerdeki yüksekliğinin, parçacığa orada tespit etme olasılığını veren bir dalga olarak düşünülebilir. Dalga, zamanla, doğal olarak yayılır. Ancak Philip Anderson, rastgeleliğin -tıpkı bir kristal kafesteki rastgele kusurlar gibi- elektron dalgasının kırılmasına, kendiyle çakışmasına ve küçük bir bölge dışında her yerde kaybolmasına neden olabileceğini keşfetti. Parçacık yerelleştirilmesi bu şekilde gerçekleşiyor.

İnsanlar onlarca yıldır birden fazla parçacık arasındaki etkileşimin girişim etkisini yok edeceğini düşündüler. Fakat 2005 yılında, Princeton ve Columbia Üniversiteleri'nden üç fizikçi, tek boyutlu kuantum parçacıkları zincirinin, çok kütleli yerelleştirilmesini deneyimleyebileceğini gösterdi; bu ise hepsinin sabit bir durumda takılıp kaldığı anlamına geliyordu.^[9] Bu fenomen, zaman kristalinin ilk bileşeni olacaktı.

Her biri yukarı, aşağı veya her iki yönün bir olasılığını gösteren manyetik bir oryantasyona (veya spine) sahip bir dizi parçacık hayal edin. İlk dört spinin (dönünün) başlangıçta yukarı, aşağı, aşağı ve yukarıyı gösterdiğini düşünün. Bu spinler, kuantum mekaniği dalgaları oluşturup, eğer mümkünse, hızlı bir şekilde dizileceklerdir. Ancak aralarındaki rastgele etkileşim, parçacık sırasının belirli düzende sıkışmasına, yeniden düzenlenememesine veya termal denge edinememesine neden olabilir. Süresiz olarak yukarı, aşağı, aşağı ve yukarı işaret etmeye devam edeceklerdir.

Sondhi ve bir iş arkadaşı, çok kütleli yerelleştirilmiş sistemlerin bir zaman kristalinin ikinci bileşeni olabilecek özel bir düzen sergileyebileceğini keşfetmişti: Sistemdeki tüm spinleri çevirirseniz (örneğimizde bu aşağı, yukarı, yukarı ve aşağı olacaktır), başka bir stabil, çok kütleli yerelleştirilmiş durum elde edersiniz.

Quanta Magazine

Khemani, Dresden'deki Max Planck Enstitüsü'nde izinli olarak Sondhi'ye katıldı. Orada, Moessner ve Lazarides, öyle denilen Floquet sistemlerinde uzmanlaştı - belirli bir frekansa sahip lazerle uyarılan bir kristal gibi, periyodik olarak çalıştırılan sistemler. Lazerin yoğunluğu ve dolayısıyla sistem üzerindeki etkisinin gücü, periyodik olarak değişir.

Moessner, Lazarides, Sondhi ve Khemani, çok kütleli yerelleştirilmiş bir sistem, periyodik olarak bu şekilde çalıştırıldığında ne olduğunu inceledi. Hesaplamalarda ve simülasyonlarda, lazerle yerelleştirilmiş bir spin zincirine belirli bir şekilde etki ettiğinizde ileri geri döneceklerini, lazerden herhangi bir enerji absorbe etmeden sonsuza dek tekrar edecek bir döngüde iki farklı çok kütleli yerelleşme durumu arasında hareket edeceklerini keşfetti.

Keşiflerine "pi spin cam hâli" adını verdiler (burada pi açısı 180 derecelik bir dönüşü ifade ediyor). Ekip, maddenin bu yeni hâl -şimdiye kadar tanımlanmış ilk çok kütleli, denge dışı hâl- kavramını 2015'te yayınlanan bir ön baskıda bildirdi; ancak ''zaman kristali'' kelimeleri hiçbir yerde kullanılmamıştı.^[10] Bu terimi, yazının Haziran 2016'da Physical Review Letters'da yayınlanan ve pi spin cam hâli ile zaman kristalleri arasında bağlantı kurduğu için teşekkür bölümünde bir eleştirmene teşekkür ettikleri güncellenmiş bir versiyonuna eklediler.^[11]

Ön baskının yazılmasından sonra ve yayınlanmasından önce başka bir şey de oldu: Wilczek'in eski yüksek lisans öğrencisi olan Nayak ve iş arkadaşları Dominic Else ve Bela Bauer, Mart 2016'da Floquet zaman kristalleri adı verilen cisimlerin varlığını öne süren bir ön baskı yayınladılar.^[12] Örnek olarak da Khemani ve ekibinin pi spin cam hâlini gösterdiler.

Floquet zaman kristali Wilczek'in düşündüğü türden bir davranış sergiler; ancak yalnızca dış bir enerji kaynağı tarafından periyodik olarak çalıştırılırken. Bu tür bir zaman kristali, asla termal dengede olmadığını göstererek Wilczek'in orijinal fikrinin hatasını ortadan kaldırır. Çok kütleli yerelleşmiş bir sistem olduğu için, spinler veya diğer kısımlar dengeye oturamayıp oldukları yerde ''sıkışırlar.'' Ancak sistem bir lazer veya başka bir faktör tarafından etki edilmesine rağmen ısınmaz. Bunun yerine, yerelleştirilmiş durumlar arasında süresiz olarak ileri geri döner.

Rod Searcey

Zaten lazer, spinler dizisinin zaman içindeki tüm anlar arasındaki simetrisini bozarak bunun yerine "ayrık zaman öteleme simetrisini", yani sadece lazerin her periyodik döngüsünden sonra benzer koşulları uygulayacaktır. Ancak o zaman ileri-geri dönüşleriyle, kendi periyodik spinleri lazerin spinlerinin katları olduğundan, spin dizisi lazer tarafından uygulanan ayrık zaman öteleme simetrisini daha da bozar. Khemani ve yardımcı yazarlar bu aşamayı ayrıntılı olarak tanımlasalar da, Nayak'ın grubu bunu zamanın, simetrinin ve doğal simetri kırılmasının -fizikteki tüm temel kavramların- dilinde ifade etti. Daha çekici bir terminoloji sunmanın yanı sıra, yeni kavrayış açıları sağladılar ve bir Floquet zaman kristali kavramını pi spin camı hâlinin ötesinde -belirli bir simetriye ihtiyaç olmadığını belirterek- biraz genelleştirdiler. Makaleleri, Khemani ve ekibinin, bu hâlin ilk örneğinin teorik keşfini yayınlamasından iki ay sonra - Ağustos 2016'da Physical Review Letters'da yayınlandı.^[12]

İki ekip de bu fikri keşfettiklerini iddia ediyor. Rakip araştırmacılar ve diğerleri, o zamandan beri gerçekte bir zaman kristali oluşturmak için rekabet etmeye başlamıştı.

Mükemmel Platform

Nayak'ın ekibi, iyonları yakalamak ve kontrol etmek için elektromanyetik alanları kullanan Maryland Üniversitesi'nden Chris Monroe ile birlikte çalıştı. Ekip, Temmuz 2021'de Science dergisinde kapana kısılmış iyonları takriben, "pretermal" bir zaman kristaline dönüştürdüklerini bildirdi.^[13] Döngüsel varyasyonları (bu örnekte, iki durum arasında atlayan iyonlar), gerçek bir zaman kristalinden neredeyse ayırt edilemez. Ama bir elmasın aksine, bu pretermal zaman kristali varlığını sonsuza dek sürdürmez; deney yeterince uzun sürerse, sistem kademeli olarak dengelenir ve nihayetinde döngüsel davranış bozulur.

Khemani, Sondhi, Moessner ve iş arkadaşları ise başka bir şey yapmayı hedeflemişti. 2019 yılında Google, Sycamore kuantum bilgisayarının sıradan bir bilgisayarın 10.000 yılda hesaplayacağı bir işlemi 200 saniyede tamamladığını duyurdu.^[14] (Diğer araştırmacılar daha sonra sıradan bilgisayarın hesaplamasını büyük ölçüde hızlandırmanın bir yolunu açıklayacaklardı.)^[15] Duyuru belgesini okurken Moessner, kendisi ve meslektaşlarının "Sycamore işlemcisinin temel yapı taşları olarak Floquet zaman kristalini oluşturmak için tam ihtiyacımız olan şeyleri içerdiğini fark ettiklerini" söyledi.

Şans eseri, Sycamore'un geliştiricileri de tam teşekküllü kuantum bilgisayarlar için tasarlanmış şifreleme ve arama algoritmalarını çalıştırmak için hataya fazla meyilli olan makineleriyle ilgili yapacak bir şeyler arıyorlardı. Khemani ve meslektaşları, Google'da bir teorisyen olan Kostya Kechedzhi ile iletişime geçtiğinde, o ve ekibi, zaman kristali projesinde işbirliği yapmayı hemen kabul etti. Kechedzhi:

Benim işim, yalnızca ayrık zamanlı kristallerle değil, diğer projelerle de, yeni fizik veya kimyayı incelemek için işlemcimizi bilimsel bir araç olarak denemek ve kullanmak.

Kuantum bilgisayarları, ''kübitlerden'' - her biri aynı anda 0 ve 1 olarak etiketlenmiş iki olası durumu da koruyabilen kontrol edilebilir kuantum parçacıklarından oluşuyor. Kübitler etkileşime girdiğinde, toplu olarak üstel sayıda eşzamanlı olasılığı dengeleyerek bilgi işlem avantajları sağlıyorlar.

Google'ın kübitleri, süper iletken alüminyum şeritlerden oluşur. Her birinin yukarı veya aşağı spinleri temsil edecek şekilde programlanabilen iki olası enerji durumu var. Deneme için Kechedzhi ve iş arkadaşları, zaman kristali işlevini görmek üzere 20 kübitlik bir çip kullandılar.

Belki de bu makinenin rakiplerine göre en büyük avantajı, kübitleri arasındaki etkileşimlerin gücünü ayarlama kabiliyeti. Bu ayarlanabilirlik, sistemin neden bir zaman kristali hâline gelebileceğinin anahtarıdır: Programcılar, kübitlerin etkileşim güçlerini rastgele ayarlayabiliyordu ve bu rastgelelik, aralarında spin sırasının çok kütleli yerelleşmeye ulaşmasına izin veren yıkıcı bir girişim yarattı. Kübitler, dizilmek yerine belirli bir yön düzenine kilitlenebiliyordu.

Araştırmacılar, spinlere yukarı, aşağı, aşağı, yukarı ve benzeri gibi rastgele başlangıç konfigürasyonları verdiler. Sistemi mikrodalgalarla pompalamak, yukarı spinleri aşağıya ve tam tersine - aşağı spinleri yukarıya çevirdi. Her ilk konfigürasyon için on binlerce demo çalıştırarak ve her çalıştırmada farklı sürelerden sonra kübitlerin durumlarını ölçerek, araştırmacılar, spin sisteminin iki çok kütleli yerelleşme durumu arasında gidip geldiğini gözlemleyebildiler.

Maddenin hâlinin ayırt edici özelliği aşırı stabilitedir. Sıcaklık inip çıksa bile buz aynı kalır. Araştırmacılar, iki sinyalden sonra tıpkı küçük teknelerin kendilerini doğrultması gibi, spinlerin başlangıç yönlerine geri dönmesi için mikrodalga sinyallerinin spinlerini sadece yaklaşık 180 derece çevirmesi gerektiğini keşfetti. Ayrıca, spinler mikrodalga lazerden enerjiyi asla absorbe etmez veya dağıtmaz, bu da sistemin düzensizliğini değiştirmez.

5 Temmuz'da, Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'nden bir ekip, bir kuantum işlemcide değil de, bir elmastaki karbon atomlarının nükleer spinlerinden bir Floquet zaman kristali oluşturduklarını bildirdiler.^[2] Delft sistemi, Google'ın kuantum işlemcisinde yapılan zaman kristalinden daha küçük ve daha sınırlı.

Floquet zaman kristalinin pratik kullanımı olup olmadığı henüz belirsiz. Ancak, maddenin stabilliği Moessner için umut verici görünüyor:

Böyle stabil olması olağandışı, ve özel şeyler kullanışlı hale gelebilir.

Diğer taraftan, bu madde sadece kavramsal olarak da faydalı olabilir. Denge dışı bir madde hâlinin ilk ve en basit örneği olsa da, araştırmacılar bu tür hâllerin fiziksel olarak mümkün olduğundan şüpheleniyorlar.

Nayak, zaman kristallerinin zamanın doğası hakkında derin bir şeyi aydınlattığını savunuyor:

Normalde fizikte, zamanı sadece başka bir boyut olarak ele almaya ne kadar çalışırsanız çalışın, o her zaman bir çeşit aykırı değer olarak kalacaktır.

Einstein, zamanla birlikte üç boyutlu uzayı birleştirerek dört boyutlu hale getirmek için en iyi girişimi yaptı: uzay-zaman. Ancak onun teorisinde bile tek yönlü zaman benzersiz bir fenomen.

Zaman kristalleri ise, zamanın tüm bu fenomenlerden yalnızca biri olduğunu bildiğim ilk durum.

Chalker ise, zamanın halen aykırı bir değer olarak kaldığını savunuyor. "Wilczek'in zaman kristali, zaman ve uzayın gerçek bir birleşimi olurdu." diyor. Uzaysal kristaller dengede olduğundan sürekli uzay öteleme simetrisini bozarlar. Yalnızca ayrık zaman öteleme simetrisinin zaman kristalleri tarafından bozulabileceği keşfi, zaman ve uzay arasındaki ayrıma yeni bir perspektif getiriyor.

Bu tartışmalar, kuantum bilgisayarlarla keşif olasılığına bağlı olarak devam edecek. Yoğun madde fizikçileri, doğal dünyadaki hâllerle ilgilenirlerdi. Chalker şöyle diyor:

Artık bu odak, doğanın bize ne verdiğini incelemekten, kuantum mekaniğinin sağlayabildiği egzotik madde formlarını hayal etmeye geçti.