Кристаллы времени — это фаза материи, в которой частицы движутся в вечно повторяющемся цикле без поступления энергии извне. Исследователи смогли создать два кристалла времени в низкотемпературной лаборатории Университета Аалто и наблюдать за их взаимодействием. В будущем кристаллы времени могут найти применение в таких устройствах, как компоненты памяти квантового компьютера.

Профессор и нобелевский лауреат по физике Франк Вильчек, который также недавно посетил Университет Аалто, чтобы выступить на коллоквиуме ведущего квантового сообщества Финляндии InstituteQ, теоретически предположил существование кристаллов времени в 2012 году. Их существование было экспериментально подтверждено в 2016 году.

Теперь исследователям удалось создать и наблюдать взаимодействие двух кристаллов времени в эксперименте, проведенном в низкотемпературной лаборатории Университета Аалто.

Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Communications.

В обычном кристалле атомы или молекулы, составляющие его, организованы в регулярную кристаллическую структуру. И наоборот, кристалл времени — это группа частиц, которая движется без внешней энергии, всегда возвращаясь в одно и то же состояние через определенные промежутки времени. Это означает, что его регулярность выражается во времени, а не в пространстве.

Всем известно, что вечные двигатели невозможны. Однако в квантовой физике вечный двигатель сам по себе возможен, пока его не наблюдают. Слабо связав частицы с окружающей средой, мы смогли создать до двух кристаллов времени и заставить их взаимодействовать», — говорит Самули Аути, исследователь из Ланкастерского университета, проводивший эксперимент в Аалто.

Эксперименты вблизи абсолютного нуля

Исследователи довели сверхтекучий гелий-3 до одной десятитысячной градуса от абсолютного нуля, что означает, что температура составляла ровно -273,15 °C. После этого они создали два временных кристалла. После этого они создали внутри жидкости два временных кристалла. Кристаллы могут существовать до нескольких минут, что является удивительно долгим сроком для квантового явления. Исследователи смогли наблюдать за свойствами и взаимодействием двух кристаллов благодаря их долгому существованию.

Во время эксперимента кристаллы времени образовали двухуровневую квантовую систему, которая представляет собой комбинацию двух независимых квантовых состояний, способных занимать оба состояния одновременно.

Исследователь Йере Мякинен из Аалто говорит, что состояние кристаллов времени можно описать с помощью колебаний, то есть с помощью синусоидальных волн, амплитуда которых связана с количеством частиц, а частота описывает энергетическое состояние кристалла времени.

Созданные нами кристаллы времени отличаются друг от друга тем, что один из них изменяет свою частоту во времени, а другой — нет. В ходе эксперимента мы смогли сделать так, чтобы их частоты пересекались. Когда их частоты примерно одинаковы, они взаимодействуют, и часть амплитуды каждого из них переходит на другой кристалл. Во втором эксперименте кристалл, который оставался регулярным, был «пустым» в начале, т.е. его амплитуда была равна нулю. Когда частота другого кристалла пересеклась с пустым, часть амплитуды перешла к нему именно так, как предсказывала теория, описывающая двухуровневые квантовые системы», — объясняет Мякинен.

Отличным примером двухуровневой квантовой системы является кубит — квантовый компьютер, эквивалентный биту в традиционных вычислениях. Если бит может иметь в качестве значения только ноль или единицу, то кубиты могут иметь оба значения одновременно. Именно это помогает частично объяснить экспоненциально большую вычислительную мощность квантовых компьютеров по сравнению с традиционными компьютерами.

Исходя из того, что в эксперименте временные кристаллы образовали двухуровневую квантовую систему, они потенциально могут быть использованы в таких устройствах, как компоненты памяти квантовых компьютеров. Поскольку временные кристаллы могут существовать при комнатной температуре, они могут проложить путь к созданию квантовых устройств, работающих при комнатной температуре. Мякинен говорит, что изучение кристаллов времени — настолько новая область, что все практические применения являются чисто умозрительными.

«Помимо квантовых компьютеров, кристаллы времени могут быть полезны в таких вещах, как чрезвычайно точное измерение времени».

Лаборатория низких температур является частью исследовательской инфраструктуры OtaNano, доступной для ученых, исследовательских групп и компаний в Отаниеми.

Оригинал earth-chronicles.ru