Физики только что сделали удивительный шаг к квантовым устройствам, которые покажутся чем-то из научной фантастики.
Впервые изолированные группы частиц, ведущих себя как странные состояния материи, известные как кристаллы времени, были объединены в единую развивающуюся систему, которая может оказаться невероятно полезной в квантовых вычислениях.
После первого наблюдения взаимодействия между двумя кристаллами времени, описанного в статье два года назад, это следующий шаг к потенциальному использованию кристаллов времени для практических целей, таких как квантовая обработка информации.
Кристаллы времени, официально обнаруженные и подтвержденные лишь несколько лет назад, в 2016 году, когда-то считались физически невозможными. Они представляют собой фазу материи, очень похожую на обычные кристаллы, но с одним дополнительным, особенным и очень специфическим свойством.
В обычных кристаллах атомы расположены в фиксированной трехмерной решетчатой структуре, подобно атомной решетке алмаза или кварца. Эти повторяющиеся решетки могут отличаться по конфигурации, но любое движение, которое они демонстрируют, происходит исключительно под действием внешних факторов.
В кристаллах времени атомы ведут себя несколько иначе. Они демонстрируют модели движения во времени, которые не могут быть так легко объяснены внешними воздействиями. Эти колебания - называемые "тиканьем" - фиксируются на регулярной и определенной частоте.
Теоретически, кристаллы времени тикают в своем минимально возможном энергетическом состоянии - известном как основное состояние - и поэтому являются стабильными и когерентными в течение длительных периодов времени. Таким образом, если структура обычных кристаллов повторяется в пространстве, то в кристаллах времени она повторяется в пространстве и времени, демонстрируя тем самым вечный двигатель основного состояния.
"Все знают, что вечные двигатели невозможны", - говорит физик и ведущий автор исследования Самули Аути из Ланкастерского университета в Великобритании.
"Однако в квантовой физике вечный двигатель возможен до тех пор, пока мы держим глаза закрытыми. Пробравшись через эту щель, мы сможем создать кристаллы времени".
Кристаллы времени, с которыми работает команда, состоят из квазичастиц, называемых магнонами. Магноны не являются настоящими частицами, а представляют собой коллективное возбуждение спинов электронов, подобно волне, распространяющейся через решетку спинов.
Магноны возникают, когда гелий-3 - стабильный изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном - охлаждается до одной десятитысячной градуса от абсолютного нуля. При этом образуется так называемая B-фаза сверхтекучей жидкости - жидкость с нулевой вязкостью и низким давлением.
В этой среде кристаллы времени формируются как пространственно отдельные конденсаты Бозе-Эйнштейна, каждый из которых состоит из триллиона магнонных квазичастиц.
Конденсат Бозе-Эйнштейна образуется из бозонов, охлажденных лишь на долю выше абсолютного нуля (но не до абсолютного нуля, при котором атомы перестают двигаться).
Это заставляет их опускаться в состояние с самой низкой энергией, двигаться чрезвычайно медленно и сближаться достаточно близко, чтобы накладываться друг на друга, создавая облако атомов высокой плотности, которое действует как один "суператом" или волна материи.
Когда двум временным кристаллам позволили коснуться друг друга, они обменялись магнонами. Этот обмен повлиял на колебания 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, пока они не были определены четким измерением. Таким образом, наличие кристалла времени, функционирующего в двух состояниях, дает богатый выбор в качестве основы для квантовых технологий.
Кристаллы времени еще далеки от использования в качестве кубитов, поскольку сначала необходимо решить значительное количество проблем. Но детали начинают вставать на свои места.
Ранее в этом году другая группа физиков объявила, что им удалось успешно создать временные кристаллы при комнатной температуре, которые не нужно изолировать от окружающей среды.
Более сложные взаимодействия между кристаллами времени и тонкий контроль над ними потребуют дальнейшей разработки, как и наблюдение за взаимодействующими кристаллами времени без необходимости использования охлаждаемых сверхтекучих жидкостей. Но ученые настроены оптимистично.
"Оказывается, если собрать два таких кристалла вместе, то они прекрасно работают, даже если кристаллы времени вообще не должны существовать", - говорит Аути. "И мы уже знаем, что они существуют и при комнатной температуре".
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
