Иридесценция блестящего куска кристалла обусловлена высокоупорядоченной атомной структурой. Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике 2012 года, предположил, что квантовые системы, подобно группам частиц, могут самоорганизовываться аналогичным образом, но во времени, а не в пространстве. Он назвал такие системы кристаллами времени, определив их по минимально возможному энергетическому состоянию, которое постоянно повторяет движения без внешнего поступления энергии.
Экспериментально доказано, что кристаллы времени существуют с 2016 года.
Исследователи из Департамента прикладной физики Университета Аалто впервые соединили кристалл времени с другой системой, внешней по отношению к нему. В исследовании, первым автором которого является научный сотрудник Академии Йере Мякинен, описывается, как команда превратила кристалл времени в оптомеханическую систему, которую можно использовать для разработки чрезвычайно точных датчиков или систем памяти для квантовых компьютеров, что значительно повысит их мощность.
Исследование опубликовано в Nature Communications.
«Вечное движение возможно в квантовой сфере, пока оно не нарушается внешним поступлением энергии, например, при наблюдении. Именно поэтому кристалл времени никогда раньше не соединяли с какой-либо внешней системой, — говорит Мякинен. — Но мы сделали это и впервые показали, что можно регулировать свойства кристалла с помощью этого метода».
Физики использовали радиоволны для накачки магнонов в сверхтекучий гелий-3, охлаждённый почти до абсолютного нуля. Магноны — это квазичастицы, то есть группы частиц, ведущих себя так, как если бы они были отдельными частицами. Когда команда отключила насос, магноны образовали кристалл времени, который оставался в движении беспрецедентно долго — до 10^8^ циклов или нескольких минут, прежде чем затухнуть до уровня, который исследователи больше не могли наблюдать.
Во время процесса затухания кристалл времени соединился с близлежащим механическим осциллятором способом, определяемым частотой и амплитудой осциллятора.
«Мы показали, что изменения частоты кристалла времени полностью аналогичны оптомеханическим явлениям, широко известным в физике. Это те же явления, которые используются, например, для обнаружения гравитационных волн в Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории в США. Оптимизировав нашу установку за счёт снижения потерь энергии и увеличения частоты механического осциллятора, мы можем приблизиться к границе квантовой сферы», — говорит Мякинен.
Кристаллы времени могут быть использованы для значительного увеличения мощности квантовых вычислений и сенсоров.
«Кристаллы времени существуют на порядки дольше, чем квантовые системы, которые в настоящее время используются в квантовых вычислениях. В лучшем случае кристаллы времени могут обеспечить работу систем памяти квантовых компьютеров, значительно улучшив их. Их также можно использовать в качестве частотных гребёнок, которые применяются в чрезвычайно чувствительных измерительных приборах в качестве эталонов частоты», — говорит Мякинен.
published in Nature Communications .»,»\»Perpetual motion is possible in the quantum realm so long as it is not disturbed by external energy input, such as by observing it. That is why a time crystal had never before been connected to any external system,\» Mäkinen says. \»But we did just that and showed, also for the first time, that you can adjust the crystal’s properties using this method.\»»,»The physicists used radio waves to pump magnons into a helium-3 superfluid cooled to near-absolute zero. Magnons are quasiparticles, i.e. groups of particles behaving as if they were individual particles instead. When the team turned off the pump, the magnons formed a time crystal that stayed in motion for unprecedentedly long, lasting up to 108 cycles or several minutes before fading down to a level the researchers could no longer observe.»,»During the fading process, the time crystal connected itself to a nearby mechanical oscillator in a way determined by the oscillator’s frequency and amplitude.»,»\»We showed that changes in the time crystal’s frequency are completely analogous to optomechanical phenomena widely known in physics. These are the same phenomena that are used, for example, in detecting gravitational waves at the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory in the U.S. By reducing the energy loss and increasing the frequency of that mechanical oscillator, our setup could be optimized to reach down near the border of the quantum realm,\» Mäkinen says.»,»Time crystals could be used to drastically increase quantum computing and sensing power.»,»\»Time crystals last for orders of magnitude longer than the quantum systems currently used in quantum computing. The best-case scenario is that time crystals could power the memory systems of quantum computers to significantly improve them. They could also be used as frequency combs, which are employed in extremely high-sensitivity measurement devices as frequency references,\» says Mäkinen.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tAalto University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник