Два кристалла времени впервые успешно соединились вместе

Физики только что сделали удивительный шаг к квантовым устройствам, которые звучат как что-то из области научной фантастики.

Впервые были обнаружены изолированные группы частиц, ведущих себя как причудливые состояния материи, известные как кристаллы времени. связаны в единую развивающуюся систему, которая может быть невероятно полезной в квантовых вычислениях.

После первого наблюдения взаимодействия между двумя кристаллами времени, подробно описанного в статье два года назад, это следующий шаг к потенциально использование кристаллов времени для практических целей, таких как квантовая обработка информации.

Кристаллы времени, официально открытые и подтвержденные лишь несколько лет назад в 2016 году, когда-то считались физически невозможными. Это фаза вещества, очень похожая на нормальные кристаллы, но с одним дополнительным, своеобразным и очень особым свойством.

В обычных кристаллах атомы расположены в фиксированной трехмерной сетчатой ​​структуре, подобной атомная решетка кристалла алмаза или кварца. Эти повторяющиеся решетки могут различаться по конфигурации, но любое движение, которое они демонстрируют, происходит исключительно от внешних толчков.

В кристаллах времени атомы ведут себя несколько иначе. Они демонстрируют закономерности движения во времени, которые нельзя так просто объяснить внешним толчком или толчком. Эти колебания, называемые «тиканием», привязаны к регулярной и определенной частоте.

Теоретически кристаллы времени тикают в самом низком возможном энергетическом состоянии, известном как основное состояние, и поэтому являются стабильными и когерентными. в течение длительных периодов времени. Итак, там, где структура правильных кристаллов повторяется в пространстве, у кристаллов времени она повторяется в пространстве и времени, демонстрируя тем самым вечное движение в основном состоянии.

«Всем известно, что вечные двигатели невозможны», — говорит физик и ведущий автор Самули Аутти из Ланкастерского университета в Великобритании.

«Однако в квантовой физике вечное движение допустимо, пока мы держим глаза закрытыми. Пробравшись в эту трещину, мы можем создавать кристаллы времени.»

Кристаллы времени, с которыми работала команда, состоят из квазичастиц, называемых магнонами. Магноны не являются настоящими частицами, а состоят из коллективного возбуждения спина электронов, подобно волне, которая распространяется через решетку спинов.

Магноны появляются, когда гелий-3 — стабильный изотоп гелия с двумя протонов, а всего один нейтрон – охлаждается с точностью до одной десятитысячной градуса абсолютного нуля. Это создает так называемую сверхтекучесть B-фазы, жидкость с нулевой вязкостью и низким давлением.

В этой среде кристаллы времени сформировались как пространственно различные конденсаты Бозе-Эйнштейна, каждый из которых состоит из триллиона магнонных квазичастиц.

Конденсат Бозе-Эйнштейна образуется из бозонов, охлажденных чуть выше абсолютного нуля (но не достигающих абсолютного нуля, после чего атомы перестают двигаться).

Это заставляет их погружаются в состояние с наименьшей энергией, двигаясь чрезвычайно медленно и сближаясь достаточно близко, чтобы перекрываться, образуя облако атомов высокой плотности, которое действует как один «суператом» или волна материи.

Когда два времени кристаллам позволяли касаться друг друга, они обменивались магнонами. Этот обмен повлиял на колебание каждого из кристаллов времени, создав единую систему с возможностью функционирования в двух дискретных состояниях.

В квантовой физике объекты, которые могут иметь более одного состояния, существуют в смеси этих состояний до того, как они будут зафиксированы четким измерением. Таким образом, наличие кристалла времени, работающего в системе с двумя состояниями, дает богатые новые возможности в качестве основы для квантовых технологий.

Кристаллы времени — это хороший путь от развертывания в качестве кубитов, поскольку существует значительное количество препятствий, которые нужно решить в первую очередь. Но все становится на свои места.

Ранее в этом году другая группа физиков объявила об успешном создании кристаллов времени при комнатной температуре, которые не нужно изолировать от окружающей среды.

Потребуется дальнейшая разработка более сложных взаимодействий между кристаллами времени и их точного управления, а также наблюдения за взаимодействующими кристаллами времени без необходимости в охлажденных сверхтекучих жидкостях. Но ученые настроены оптимистично.

«Оказывается, соединение двух из них прекрасно работает, даже если кристаллы времени вообще не должны существовать», — говорит Аутти. «И мы уже знаем, что они существуют и при комнатной температуре».

Исследование опубликовано в Nature Communications.