Нові дослідження показують, що часові кристали здатні забезпечити зберігання даних для квантових комп’ютерів протягом декількох хвилин – це колосальний прогрес у порівнянні з наявними системами, що функціонують лише миттєвості.
Незважаючи на загальне уявлення про надзвичайну крихкість часових кристалів, експерименти продемонстрували, що їх можна успішно сполучати з механічними поверхневими хвилями, не руйнуючи при цьому їхньої унікальної структури. «Саме це, на мій погляд, є найцікавішим аспектом, – прокоментував Жере Мякінен, один з авторів дослідження та науковий співробітник Університету Аалто у Фінляндії. – Можливість значущого зв’язку часових кристалів з іншою системою та використання їхньої внутрішньої міцності відкриває неабиякі перспективи».
Університет Аалто – це провідний фінський заклад вищої освіти, що спеціалізується на науці, мистецтві, технологіях та бізнесі, відомий своїми інноваційними дослідженнями та міждисциплінарним підходом. Ці новаторські результати були детально описані в науковій праці, опублікованій 16 жовтня у відомому журналі Nature Communications.
Нові Горизонти у Вивченні Часових Кристалів
На відміну від звичайних кристалічних структур, що мають упорядковане розташування атомів чи молекул у просторі, часові кристали вирізняються тим, що вони повертаються до певного стану через регулярні проміжки часу. Це явище не варто плутати з коливанням маятника, де частота відбиває зовнішній вплив сили тяжіння. Натомість, у часового кристала періодичність виникає спонтанно, без зовнішнього примусу на певній частоті, хоча для його ініціації й потрібен початковий імпульс.
Ідея часових кристалів вперше пролунала у 2012 році, і відтоді було представлено безліч різних систем, що демонструють цю дивовижну властивість. Жере Мякінен та його команда розробили свою систему на базі квазічастинок, названих магнонами – колективних хвиль, пов’язаних з квантовою властивістю спіну. Вони створили магнони у надплинному гелії-3, який є особливою формою гелію. У ядрах цього ізотопу є два протони та один нейтрон, що не дозволяє спінам частинок в ядрі взаємно компенсуватися. Охолодження гелію-3 до кріогенних температур – це температура, що наближається до абсолютного нуля (-273,15 °C), при якій матерія набуває незвичайних властивостей, таких як надпровідність та надплинність, – змушує атоми слабо взаємодіяти, утворюючи квазічастинки, відомі як Куперівські пари. У стані Куперівських пар ці квазічастинки обмежуються лише одним доступним квантовим станом, що, своєю чергою, усуває в’язкість рідини. Надплинний гелій-3 – це рідкісна ізотопна форма гелію, що за наднизьких температур переходить у стан надплинності, поводячись як квантова рідина без в’язкості, завдяки унікальним квантовим властивостям.
Виявилося, що коливання надплинного гелію-3 за допомогою механічної поверхневої хвилі справляє на нього своєрідний вплив, який зводиться до дії поверхні на спін та орбітальний кутовий момент Куперівських пар – властивості, що характеризують надплинну рідину. Для кращого розуміння уявіть вплив стіни на можливі траєкторії кульки, що обертається на кінці нитки: у вільному просторі вона може мати будь-яку орієнтацію, але поблизу стіни деякі з цих орбіт стають неможливими. Мякінен та його команда зрозуміли, що це вплине на період магнонного часового кристала. В експериментах вони виявили, що часовий кристал здатний витримати таку взаємодію до кількох хвилин. Це відкриває шлях до можливості сполучення даних з квантових комп’ютерів з часовим кристалом за допомогою подібної взаємодії для їхнього зберігання.
У квантових комп’ютерах кожен кубіт може перебувати у суперпозиції двох бінарних станів одночасно – це основа для теоретично вищої обчислювальної потужності. Отже, пам’ять у таких комп’ютерах повинна зберігати дані, які зберігають цю невизначену якість стану кубіта. Квантові обчислення – це передовий напрямок у комп’ютерних технологіях, що використовує принципи квантової механіки для обробки інформації. На відміну від класичних бітів, які можуть бути лише в одному з двох станів (0 або 1), квантові біти, або кубіти, можуть існувати у суперпозиції – одночасно перебувати в обох станах, що дозволяє виконувати складніші обчислення. Сучасні технології квантової пам’яті зазвичай використовують орієнтацію спіну для збереження даних, але ці спінові стани легко порушуються зовнішніми впливами, такими як тепловий шум. Ці збурення зміщують їх в один або інший можливий стан, а це означає, що квантова природа даних втрачається. Тому спінова квантова пам’ять функціонує лише протягом кількох мілісекунд.
Натомість, магнони, створені Мякіненом та його співробітниками, зберігали свої властивості протягом декількох хвилин, навіть під впливом механічної поверхневої хвилі. Оскільки поверхнева хвиля залишає слід на частоті магнонного часового кристала, її можна використовувати для «запису» квантових даних, які потрібно зберегти. Триваліший час існування квантової пам’яті дасть змогу здійснювати більше квантових обчислювальних операцій з даними до того, як вони деградують, що, своєю чергою, дозволить вирішувати складніші завдання.
Зв’язок з класичними теоріями
Аналізуючи експериментальні дані, наукова група також виявила значну схожість з оптико-механікою – галуззю, що вивчає взаємодію світла та механічних резонаторів. Простий приклад – ледь відчутний удар фотона об дзеркало, прикріплене до пружини, внаслідок якого пружина набуває або втрачає енергію, коли фотон відбивається. Проведення паралелей між часовими кристалами та оптико-механікою може відкрити теоретичні знання з добре розробленої галузі оптико-механіки, які можна застосувати до часових кристалів, що піддаються впливу механічної хвилі. Це забезпечить значний поштовх у розумінні цих складних взаємодій.
«Оптико-механіка – це настільки універсальна концепція у багатьох галузях фізики, що її можна застосовувати у великій різноманітності систем», – зазначив Мякінен. Микола Желудєв, професор фізики та астрономії Саутгемптонського університету, який також досліджує часові кристали та оптико-механіку, але не брав участі в цьому дослідженні, назвав його «цікавим». Він додав: «Це відкриває новий напрямок досліджень у фізиці нерівноважних систем з потенційними наслідками для розвитку квантового зондування та квантового контролю». Саутгемптонський університет – один із провідних дослідницьких закладів Великої Британії, відомий своїми інноваціями в галузі науки та інженерії. Мякінен висловив намір вивчати різні конфігурації для механічного зв’язку з часовим кристалом, наприклад, з використанням нанофабрикованого електромеханічного резонатора, який мав би значно меншу масу, ніж поверхнева хвиля надплинної рідини. «Очевидна ідея полягає в тому, щоб дійсно рухатися до квантової межі та побачити, наскільки далеко ми можемо просунутися», – резюмував він.
