タイムクリスタルとは何なのか、そして物理学者はなぜそれに夢中になっているのか?

地球上の日常生活を満たす物質の基本的な状態（固体、液体、気体）については、おそらくよくご存知でしょう。

しかし、それぞれ見た目も動作も異なるこれら 3 種類の物質は、宇宙のすべてではありません。それどころか、まったく違います。科学者たちは、超流体、ボーズ・アインシュタイン凝縮、中性子縮退物質など、神秘的で空想的な名前が付けられている、さらにエキゾチックな物質状態を数十種類発見 (または作成) してきました。

ここ数年、世界中の物理学者たちは物質の別の状態、「時間結晶」を構築してきました。これはB級映画のテクノバブルのように思われるかもしれませんが、もはやテクノバブルではありません。数人の研究者が量子コンピューターを使用して時間結晶を作成し、物理学の世界で時間結晶を確固たるものにしたと考えています。

研究者らはまだ正式に研究を発表していないが、先月、ウェブサイトArXiVにプレプリント（査読前の科学論文）を掲載した。

では、タイムクリスタルとはいったい何なのでしょうか? タイムクリスタルは、タイムマシンを動かすための重要な部品、未来的な動力源、あるいは失われた異星文明の遺物のように聞こえるかもしれません。しかし、科学者にとって、タイムクリスタルは実際にはもっと微妙なもの、つまり物理法則の好奇心なのです。

ダイヤモンド、エメラルド、氷など、ありふれた結晶の特徴は、結晶の原子が空間内で何らかの形で繰り返しパターンに配置されていることです。空間には 3 つの次元があり、4 つ目の次元は時間です。そこで物理学者は、結晶の原子が時間内で繰り返しパターンに配置されているのではないかと考えました。

実際には、それは次のように機能します。まず、原子が 1 つの状態から始まる結晶を作成します。その結晶を微調整されたレーザーで照射すると、原子は別の状態に反転し、その後反転し、さらに反転し、というように繰り返しますが、レーザーからのエネルギーは実際にはまったく吸収されません。

一歩引いて考えてみると、今あなたが作り出したものは、いかなるエネルギーも取り入れることなく、永久に、無限に動き続ける物質の状態です。

これは決して簡単なことではありません。古典物理学の最も神聖な教義の 1 つである熱力学の第二法則に反しています。この法則は、エントロピー、つまり無秩序の量は常に増加する傾向があると述べています。テーブルの端でぐらついている花瓶のようなものだと考えてください。宇宙はその花瓶を押し倒して床に砕け散らせようとしています。それを元通りにするには、エネルギーを注ぐ必要があります。

タイムクリスタルは実はかなり新しい概念で、2012年にノーベル賞受賞物理学者フランク・ウィルチェクによって初めて理論化されました。当時、すべての物理学者がその理論を受け入れたわけではなく、熱力学の第二法則が法的な問題になると主張する人もいました。

当然のことながら、熱心な研究者たちは抜け道を見つけた。2016年、メリーランド大学の物理学者たちはイッテルビウム原子の集合体から粗雑な時間結晶をなんとか作り上げた。他のグループもダイヤモンドの中に時間結晶を作ったことがある。

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しかし、この最新のタイムクリスタル研究者たちは、別のことをしました。彼らは Google に頼り、量子コンピューターを使用しました。量子コンピューターは、宇宙を最小のスケールで導く、一見神秘的な物理学である量子力学の癖を利用するデバイスです。日常的な「古典的な」コンピューターのようにシリコンの断片を使用する代わりに、量子コンピューターは原子や粒子を直接操作します。これにより、物理学者は従来のコンピューターでは非常に困難な実験を行うことができます。なぜなら、粒子が同時に複数のものになることや、粒子が一見不可能な距離で相互作用することを可能にする量子物理学は、非常に難解だからです。

「従来のコンピューターでは、ルールをシミュレートする能力ははるかに難しくなります」と、高度な素粒子物理学を専門とするシカゴ郊外の国立研究所フェルミ国立加速器研究所の量子コンピューター研究者、ガブリエル・パーデュー氏は言う。

しかし、量子コンピューターのプロセッサに粒子を配置することで、小さな粒子のシステムを文字通りブロックのように研究することが可能になります。これは強力な機能であり、非量子の世界ではあまり見られないものです。

「野球ボールがどのくらい飛ぶかを計算するのは、ミニチュアの野球選手を作ってシミュレーションをすることではありません」とパーデュー氏は言う。しかし、研究者たちはグーグルの量子コンピューターを使ってタイムクリスタルを作るために、非常に小規模で非常に似たようなことを行なったのだと彼は言う。

この場合、物理学者は原子を取り出して並べ替え、レーザーでパルスを当てて時間結晶を駆動することができます。この設定により、研究者はこれまでのどの時間結晶よりも大きな時間結晶を作成することができました。これまでの多くの時間結晶は短命で、数回の反転サイクルで解けてしまいましたが、この最新の時間結晶の取り組みの背後にいる科学者たちは、自分たちが作成したものの安定性に驚いています。

「私にとって、ここで最もエキサイティングなことは、量子コンピュータを使用して量子物理学システムを実際にシミュレートし、非常に斬新でエキサイティングな方法でそれを研究するというデモンストレーションです」とパーデュー氏は言う。

では、これらのタイムクリスタルは、本当に新時代のタイムマシンの新たな波につながるのでしょうか?

おそらくそうではないだろう。しかし、量子コンピューターをより堅牢にするのに役立つかもしれない。エンジニアたちは、量子コンピューターのメモリとして機能できるもの、つまり従来のコンピューターの基盤となるシリコンに相当するものを作ろうと何年も苦労してきた。物理学者たちは、時間結晶がその目的を果たす可能性があると考えている。

また、この実験は量子コンピューターが科学を行う上で威力を発揮することを示すものでもあるとパーデュー氏は言う。「クールなアルゴリズムを簡単にシミュレートできるのと同じプラットフォームが、こうした種類のシステムのシミュレートにも同様に機能し、むしろより優れていると私は主張します」と同氏は言う。