Fizycy zrobili właśnie niesamowity krok w kierunku urządzeń kwantowych, które wyglądają jak z filmów science fiction. Po raz pierwszy wyizolowane grupy cząstek, zachowujące się jak dziwaczne stany materii, znane jako kryształy czasowe, zostały połączone w jeden ewoluujący system. Może być on niezwykle użyteczny w obliczeniach kwantowych.
Po pierwszej obserwacji oddziaływania pomiędzy dwoma kryształami czasowymi, opisanej dwa lata temu, jest to kolejny krok w kierunku potencjalnego wykorzystania ich do celów praktycznych, takich jak kwantowe przetwarzanie informacji. Kryształy czasowe, oficjalnie odkryte i potwierdzone dopiero kilka lat temu, w 2016 roku, były kiedyś uważane za fizycznie niemożliwe. Są one fazą materii bardzo podobną do zwykłych kryształów, ale mają jedną dodatkową, osobliwą właściwość.
W zwykłych kryształach atomy są ułożone w stałą, trójwymiarową strukturę siatki, taką jak siatka atomowa w krysztale diamentu lub kwarcu. Te powtarzające się siatki mogą różnić się konfiguracją, ale wszelki ruch, jaki wykazują, pochodzi wyłącznie z nacisków zewnętrznych. W kryształach czasowych atomy zachowują się nieco inaczej. Wykazują one wzorce ruchu w czasie, których nie da się tak łatwo wytłumaczyć zewnętrznym popychaniem lub przesuwaniem. Oscylacje te – określane jako „tykanie” – mają regularną i określoną częstotliwość.
Czym kryształy czasowe różnią się od zwykłych kryształów?
Teoretycznie kryształy czasowe „tykają” w swoim najniższym możliwym stanie energetycznym – znanym jako stan podstawowy – i dlatego są stabilne oraz spójne przez długi czas. Tak więc tam, gdzie struktura regularnych kryształów powtarza się w przestrzeni, w kryształach czasowych powtarza się ona w przestrzeni i czasie, wykazując w ten sposób ciągły ruch stanu podstawowego. O tych fascynujących obiektach pisaliśmy już na naszym blogu, na przykład w tekście „Czy komputer kwantowy Google stworzył kryształy czasu?”.
Samuli Autti z Uniwersytetu Lancaster w Wielkiej Brytanii, fizyk i główny autor pracy opublikowanej w Nature Communications, powiedział, że „wszyscy wiedzą, że perpetuum mobile jest niemożliwe. Jednak w fizyce kwantowej nieustanny ruch jest w porządku, o ile mamy zamknięte oczy. Prześlizgując się przez tę szczelinę, możemy stworzyć kryształy czasowe”.
Kryształy czasowe, nad którymi pracował zespół, składają się z kwazicząstek zwanych magnonami. Magnony nie są prawdziwymi cząstkami, lecz zbiorowym wzbudzeniem spinu elektronów, przypominającym falę rozchodzącą się w siatce spinów. Magnony powstają, gdy hel-3 – stabilny izotop helu z dwoma protonami, ale tylko jednym neutronem – zostanie schłodzony do temperatury mniejszej niż jedna dziesięciotysięczna stopnia od zera bezwzględnego. W ten sposób powstaje płyn o zerowej lepkości i niskim ciśnieniu.
W tym ośrodku kryształy czasowe tworzą przestrzenne kondensaty Bosego-Einsteina, z których każdy składa się z biliona kwazicząstek magnonu. Kondensat Bosego-Einsteina powstaje z bozonów schłodzonych do temperatury niewiele wyższej od zera absolutnego (ale nieosiągającej zera bezwzględnego, w którym to punkcie atomy przestają się poruszać).
Połączenie kryształów czasowych
Powoduje to, że przechodzą one do swojego najniższego stanu energetycznego. Poruszają się niezwykle wolno i zbliżają się do siebie na tyle, że nachodzą na siebie. Tworzą w ten sposób chmurę atomów o dużej gęstości, która zachowuje się jak jeden „superatom” lub fala materii. Kiedy pozwolono dwóm kryształom czasowym zetknąć się ze sobą, wymieniły się magnonami. Wymiana ta wpłynęła na drgania każdego z kryształów czasowych i stworzyła pojedynczy układ, który może funkcjonować w dwóch odrębnych stanach.
W fizyce kwantowej obiekty, które mogą mieć więcej niż jeden stan, istnieją w mieszaninie tych stanów dopóki nie zostaną jednoznacznie zmierzone. Tak więc kryształ czasowy działający w systemie dwustanowym stanowi bogate źródło nowych możliwości dla technologii kwantowych. Kryształy czasowe są jeszcze bardzo dalekie od zastosowania ich jako qubity, na przykład w komputerach kwantowych, ponieważ najpierw trzeba rozwiązać wiele innych problemów. Jednak elementy powoli zaczynają układać się w całość.
Na początku tego roku inny zespół fizyków ogłosił, że udało im się stworzyć kryształy czasowe w temperaturze pokojowej, których otoczenia nie trzeba izolować. Bardziej wyrafinowane interakcje pomiędzy kryształami czasowymi i ich precyzyjna kontrola będą wymagały dalszych prac, podobnie jak obserwacja oddziałujących ze sobą kryształów czasowych bez konieczności stosowania chłodzonych superpłynów. Naukowcy są jednak nastawieni optymistycznie. Autti powiedział, że „okazuje się, iż połączenie dwóch z nich działa wspaniale, nawet jeśli kryształy czasowe nie powinny w ogóle istnieć. A teraz wiemy już, że istnieją one również w temperaturze pokojowej”.
O kwantowej rewolucji, którą niesie nam przyszłość, pisaliśmy wielokrotnie na naszym blogu, na przykład w tekście „Jak obliczenia kwantowe mogą zmienić świat?”.
Źródło: Science Alert