Вперше ідея кристалів часу була висунута в 2012 році американським вченим та лауреатом Нобелевської премії з фізики Френком Вільчеком. Він припустив, що може існувати матерія, структура якої повторюється не в просторі, а в часі.

Йшлося про те, що матерія в класичному розумінні має “просторову” структуру. Це означає, що молекули мають певну кристалічну решітку, де група атомів або молекул структурується в просторі.

Водночас Вільчек зробив припущення, що “часова” структура може мати різні стани. Для прикладу, він привів натягнутий вантаж на пружину. Якщо пружину з вантажем розтягнути, то вона буде змінювати свій стан з натягнутого на розтягнутий, та навпаки. Таким чином, структура пружини з вантажем буде повторюватися в часі.

Наступні відмінності “просторової” від “часової” структури матерії – це витрати енергії. Перша її витрачає, друга – ні. Але при цьому виникає питання – якщо вищезгадана пружина для свої коливань витрачає енергію, то яким чином кристали часу її не витрачають?

Згідно з  дослідженнями групи вчених з Великої Британії, Нідерландів та США, в цьому полягає особливість кристалів часу. Вони мають мінімум енергії, але при цьому змінюють свій стан у часі. При цьому, енергія не задіюється та не відбувається обмін енергії із зовнішнім середовищем.

Така особливість кристалів часу, згідно з вищезгаданим дослідженням, суперечить  законам термодинаміки, які нам кажуть, що матерія не може змінити свій стан або почати рухатись без енергетичних витрат або без притоку енергії ззовні. Ще й надто, кристал часу може ігнорувати приток енергії ззовні.

Першою реакцією на такі дослідження з боку інших вчених було те, що вони назвали такі висновки фантастичними, нереалістичними та спробували розвінчати, що таке можливо.

Хоча пізніше фізики дійшли висновку, що кристали часу все-таки не порушують законів термодинаміки, адже їх енергія не змінюється через те, що не відбувається зміна стану. Через це до кристалів часу неможливо під’єднати будь-який механізм або двигун. Але вони можуть працювати всередині квантового комп’ютера.

У 2016 році вчені з університетів Меріленду, Техасу, Каліфорнії та Гарварду отримали перший практичний зразок кристалу часу. Він мав вигляд кільця з іонів ітербію, охолоджених практично до “абсолютного нуля” (-273,15 ° С).

Джерело: Університет Меріленду

Після першого успіху зі створення практичного зразка кристалу часу група дослідників  із восьми американських університетів, університету Макса Планка з фізики складних систем у взаємодії з Google Research (проєкт Google Quantum AI) і створили кристал часу всередині квантового комп’ютера.

Цей кристал часу був  у вигляді групи часток, які узгоджено та періодично змінювали свій стан без витрат енергії всередині квантового комп’ютера.

В інших системах, окрім квантового комп’ютера, кристали часу поки що не працюють.

Джерело: Quanta Magazine

У майбутньому, на думку вчених, кристали часу можуть допомогти розв’язати проблему витоку інформації з квантових систем (насамперед комп’ютерів), або можна буде використовувати їх для гіроскопів та надточних годинників.

У 2019 році американська компанія IBM презентувала перший у світі серійний квантовий комп’ютер IBM Quantum System One. Він є інтегрованою системою квантових обчислень на 20 кубітів, яка розміщена в герметичному скляному кубі 9х9х9 футів, що підтримує змінні середовища.

У майбутньому використання кристалів часу у квантових комп’ютерах надасть можливість суттєво зменшити використання енергії таким комп’ютером. Наразі є розробки перших дослідних моделей квантових комп’ютерів, які можуть споживати 25 кВт електроенергії на годину. Але на практиці, такі машини можуть споживати електроенергії більш ніж 2 МВт на годину.

З огляду на те, що квантові комп’ютери в майбутньому зможуть використовуватися для складних обчислень, в криптографії та кібербезпеці, в галузі штучного інтелекту та молекулярного моделювання, то кількість таких машин буде стрімко збільшуватись. Особливо це стосується кібербезпеки та шифрування даних.

У таких умовах споживання енергії класичними квантовими комп’ютерами призведе до збільшення викидів парникових газів у навколишнє середовище.

І ось тут і “вийдуть на арену” квантові комп’ютери з кристалами часу, які не споживають багато енергії, але можуть виконувати операції з обчислення, яких ще не бачило людство.