Физики впервые объединили кристаллы времени

Nature Communications: впервые создан кубит из двух взаимодействующих кристалла времени

Физики впервые объединили кристаллы времени

Фото: Mikko Raskinen / Aalto University

Физики создали первую в мире наблюдаемую систему из двух темпоральных кристаллов, что долгое время считалось физически невозможным. Открытие, сделанное международной группой ученых, опубликовано в журнале Nature Communications.

Концепцию квантового временно́го, или темпорального, кристалла предложил физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек в 2012 году. Она предполагает существование объекта, атомы которого находятся в постоянном движении, повторяя различные свои конфигурации с определенной периодичностью во времени и при этом не получая энергию извне. Это свойство называется нарушением инвариантности (симметрии) относительно сдвига времени. Прямое наблюдение такого движения невозможно, поскольку это действие предполагает внесение в систему энергии, то есть создание темпорального кристалла требует полной изоляции от окружающей среды, включая наблюдателя.

В эксперименте, проведенном исследователями Ланкастерского университета, Лондонского университета, Института Ландау в Москве и Университета Аалто в Хельсинки, удалось создать наблюдаемую квантовую систему, которая существует в суперпозиции состояний двух временных кристаллов. Такая система может рассматриваться как кубит — наименьшая единица информации в квантовом компьютере. Каждый темпоральный кристалл состоял из триллиона квазичастиц, называемых магнонами, в сверхтекучей фазе изотопа гелия-3, содержащегося внутри кварцевого цилиндра. Магнон представляет собой элементарное возбуждение (квант) системы из взаимодействующих спинов электронов, то есть является волной из меняющих магнитный момент частиц. Магноны внутри гелия-3 возникали как кванты поперечных волн, влияющие на результирующую намагниченность, которая прецессировала во внешнем магнитном поле.

Физики впервые объединили кристаллы времени

Схема формирования темпорального кристалла

Темпоральный кристалл отмечен как синяя капля внутри заполненного сверхтекучим гелием-3 контейнера. Кольцо провода, отмеченное зеленым цветом, создает статическое магнитное поле, а прецессия намагниченности (фиолетовый конус) наблюдается с помощью двух вертикальных катушек по бокам... Изображение: nature.com

При достаточно высокой плотности магнонов и низкой температуре гелия-3 (охлажденного до примерно одной десятитысячной градуса от абсолютного нуля) магноны формировали конденсат Бозе-Эйштейна — состояние вещества, при котором все составляющие его частицы (в данном случае магноны) занимают одни и те же энергетические состояния и ведут себя как квантовый объект, обладающий единым спином. В этом случае прецессия спина магнонного конденсата проявляется как периодическое движение, характерное для темпорального кристалла.

Оба темпоральных кристалла представляли собой «капли», располагающиеся одна над другой в объеме гелия-3, при этом вторая «капля» находилась у поверхности сверхтекучей жидкости. Ученые продемонстрировали, что такая система из двух когерентно взаимодействующих кристаллов демонстрируют свойства, характерные для типичной квантовой системы с двумя состояниями. Авторы работы полагают, что такие двухуровневые системы можно создать и при комнатной температуре, например, на основе магнонов в пленках железо-иттриевого граната, что полезно для разработки новых методов квантовой обработки информации без использования экстремального охлаждения.

Источник: lenta.ru

Добавить комментарий