Googlen kanssa yhteistyötä tekevät kvanttitutkijat väittävät tuoreessa tutkimuksessa päässeensä entistä lähemmäs niin kutsuttua aikakidettä (engl. time crystal). Aikakide on teoreettinen käsite uudesta aineen olomuodosta, joka voi joidenkin tutkijoiden mukaan osoittautua ratkaisevaksi kvanttitietokoneiden kehittämisessä, The Next Webin artikkelissa kerrotaan.

Tutkimusta ei ole vielä vertaisarvioitu, mutta sen tulokset ovat jo herättäneet innostusta ympäri maailman.

”Uskon, että tämä on aikamme tärkein tieteellinen läpimurto”, hehkuttaa Tristan Greene TNW:n artikkelissa.

Mikä ihmeen aikakide?

Aikakide on monimutkainen käsite, jota on teoreettisellakin tasolla tutkittu vasta vuodesta 2012. Sen voi yksinkertaistaen havainnollistaa suunnilleen seuraavasti.

Tavallinen kide on ainetta, jossa atomit tai molekyylit ovat järjestäytyneet säännölliseen ja toistuvaan järjestykseen. Esimerkiksi timantin hiiliatomit muodostavat erittäin kovan kiderakenteen.

Aikakide on kuin tavallinen kide, mutta säännöllisyys esiintyy ajassa eikä paikassa. Se liikkuu ikuisessa, säännöllisesti toistuvassa syklissä omia aikojaan eri tilojen välillä. Quanta Magazinen artikkelin alussa on gif-havainnollistus aikakiteestä, jolla on kaksi eri tilaa.

Lähes järjenvastaisia aikakiteistä tekee se, ettei tilasta toiseen liikuttaessa kulu täsmälleen yhtään energiaa. Ne ovat siis samanlainen systeemi kuin mikä tahansa muu tasapainossa oleva olomuoto.

Ja perustavanlaatuisesti erilainen systeemi kuin esimerkiksi kellotaulu, jonka viisarit myös liikkuvat säännöllisesti eri toistuvien tilojen välillä. Kello kuluttaa energiaa, aikakide ei.

Tarkempi fysikaalinen määritelmä perustuu entropiaan eli suureeseen, joka ilmaisee epäjärjestyksen määrän systeemissä. Klassisen fysiikan mukaan eristetyn systeemin entropia ei voi pienentyä. Entropia siis käytännössä kasvaa, jos systeemiin kohdistetaan jonkinlainen termodynaaminen prosessi.

Aikakide voi kuitenkin liikkua tilojensa välillä tuottamatta entropiaa. Quantan artikkelissa kerrotaan, että aikakiteen voi ”käynnistää” esimerkiksi lasersäteellä, joka saa kiteen vaihtamaan tilasta toiseen. Kiteen läpi kulkeva lasersäde on eittämättä prosessi, mutta säteen energia pysyy kaiken kaikkiaan samana. Vaikka laser siis käynnistää prosessin, aikakide ei tarvitse siltä energiaa eikä entropia kasva.

Mitä uutta Google oikein näytti?

Kysyimme tätä juttua varten aikakiteitä tutkineelta Lancesterin yliopistossa työskentelevältä tutkijatohtorilta Samuli Autilta, mistä tässä kaikessa on oikein kyse.

Jotta aine olisi aikakide, sen on täytettävä Autin mukaan kaksi ominaisuutta:

  1. Aikakiteen pitää liikkua omia aikojaan eli ilman ulkoisten voimien apua.
  2. Aikakiteen pitää pysyä ikuisesti toistuvassa liikkeessä.

Ominaisuuksien yhdistelmä muodostaa käytännössä ikiliikkujan. Newtonin ei onneksi tarvitse kääntyä haudassaan: ikiliikkuja on edelleenkin mahdoton.

Lähelle voidaan kuitenkin päästä.

”Aikakiteitä ei tiukasti ottaen ole olemassa, vaan jokin määritelmän mukaisista piirteistä antaa hieman periksi, jotta ilmiöön päästään käsiksi”, Autti kertoo.

Aikakiteen käsite on käytössä lähinnä siksi, että se antaa fyysikoille tehokkaita teoreettisia työkaluja. Se on tosin myös varsin onnistunut nimitys mielenkiintoiselle konseptille.

Googlen tutkijat näyttivät vaatimuksista ensimmäisen: kiteen pitää liikkua omia aikojaan. Se on näytetty aiemminkin, kuten aiemmin mainituilla lasereilla, mutta tässä tutkimuksessa oltiin aiempaa huomattavasti huolellisempia.

”Aikakiteiden mahdottomuudesta seuraa, että kokeissa aikakide on aina laitettava liikkeelle ulkoisen voiman ajamana. Liike voi kuitenkin hakea muotonsa työntävästä voimasta riippumatta. Tässä artikkelissa on selvitetty, että näin todella tapahtuu kaikilla kuviteltavissa olevilla työntävillä voimilla”, Autti selventää.

Autti tyrmää Greenen ylisanat Googlen tutkimustuloksesta.

”Tämä on kyllä kiinnostavaa, mutta ei kuitenkaan populaaritekstissä kuvatun kaltainen mullistus.”

Miten tämä liittyy mitenkään kvanttitietokoneisiin?

Autti osoitti viime vuonna Aalto-yliopiston tutkijoiden kanssa, että aikakiteet noudattavat kvanttimekaniikan perusperiaatteita.

Aallon tiedotteessa kuvaillaan aikakiteitä seuraavasti: ”Aikakide ei toistu tilassa, vaan ajassa. Käytännössä se tarkoittaa, että rakenne hakeutuu itsenäiseen, toistuvaan liikkeeseen riippumatta ulkopuolisten voimien tarjoamasta suunnasta.”

Jotta yhteys kvanttitietokoneisiin selviää, täytyy niitäkin hieman pohjustaa. Kvanttitietokoneen bitti – siis kubitti – voi normaaleista biteistä poiketen olla tilassa, joka on nollan ja ykkösen koherentti superpositio. Yksinkertaistaen kubitin arvo tietyllä ajanhetkellä voi siis olla yhdistelmä nollasta ja ykkösestä.

Kubitit käyttäytyvät kuitenkin siinä mielessä epävakaasti, että kubitin tilaa ei voi havaita tai mitata ilman, että sen koherenssi hajoaa. Teoreettisen aikakiteen kyky ylläpitää säännöllistä liikettä ulkopuolisista voimista riippumatta voi tämän takia osoittautua hyödylliseksi kvanttitietokoneissa, joiden prosessoreissa kaivataan vakaata, koherenssinsa pitkään säilyttävää materiaalia.

Autin mukaan kvanttitietokoneiden yhteydessä on erityisen kiinnostavaa tarkastella ikuisen toistuvan liikkeen vaatimusta. Klassisessa fysiikassa ajatus tällaisen liikkeen toteuttamisesta lentää saman tien roskakoriin, mutta entä kvanttifysiikassa?

”Ikuinen toistuva liike, jonka voi havaita, on kvanttifysiikassakin mahdotonta. Sen sijaan ikuinen toistuva liike, jota ei voi havaita, on kyllä mahdollista”, Autti kertoo.

Liike, jota ei voi mitenkään havaita, on kuitenkin luonnollisesti kovin yhdentekevää. Aivan niin kuin kubitti, joka on vakaa vain silloin, kun sitä ei havaitse tai käytä mihinkään.

”Näin ollen ainakin välillä joudutaan kurkistamaan aikakiteeseen, jotta liikettä voi käyttää johonkin. Tällöin aikakide alkaa kuitenkin väistämättä vuotaa energiaa eli tuottaa entropiaa. Ei ole väliä, onko kurkistus tahallinen vai tahaton.”

Tässä vaiheessa yhteys kvanttitietokoneisiin muodostuu.

”Sattumoisin tämän kaltaisten häiriöiden poistaminen on kvanttitietokoneen rakentamisen keskeinen ongelma. Siksi on helppo kuvitella, että kvanttitietokonetutkimus ja aikakidetutkimus kietoutuvat yhteen joiltain osin.”

Kvanttitietokoneet ja aikakiteet näyttävät siis lähestyvän samaa tavoitetta eri puolilta. Googlen tutkimuksessa ei kuitenkaan käsitellä ikuisen liikkeen vaatimusta kokeellisesti lainkaan, joten kenties edistysaskel kvanttitietokoneiden saralla ei ole ihan niin suuri kuin hehkutuksesta voisi kuvitella.

Oli miten oli, mielenkiintoisista asioista on joka tapauksessa kyse.