Exotické „časové krystaly“ by mohly být použity jako paměť v kvantových počítačích, což je slibný výzkum
Časové krystaly by mohly pomoci vytvořit kvantové počítání ukládání dat, které trvá minuty, ukazuje nový výzkum – obrovské zlepšení v milisekundách dlouhého trvání stávajícího ukládání kvantových dat.
V novém výzkumu vědci provedli experimenty o tom, jak časové krystaly interagují s mechanickými vlnami. Přestože jsou časové krystaly široce považovány za extrémně křehké, vědci ukázali, že mohou spojit časový krystal s mechanickou povrchovou vlnou, aniž by došlo k jeho zničení.
„To je pro mě nejzajímavější část,“ spoluautor studie Jere MäkinenAkademický výzkumný pracovník na Aalto University ve Finsku, řekl Live Science. „Spočívá v tom, že můžete skutečně významným způsobem spojit časové krystaly s jiným systémem a využít vlastní robustnost časových krystalů.“
Vědci svá zjištění popsali ve studii zveřejněné 16. října v časopise Příroda komunikace.
Výzkum vytváření vln v časovém krystalu
Tradiční krystalické struktury mají pravidelné uspořádání atomů nebo molekul v prostoru, ale časové krystaly se po pravidelných časových obdobích vracejí do určitého stavu. To není totéž jako například u kyvadla, kde frekvence kývání pouze odráží frekvenci kmitající síly směrem dolů, když gravitační síla soupeří s měnící se orientací napětí. V případě časového krystalu, i když je v praxi vyžadována nějaká počáteční výzva k akci, periodicita se získává spontánně, aniž by ji na této frekvenci cokoli pohánělo.
Od té doby, co byli první navržena v roce 2012různá nastavení, která fungují jako časové krystaly byly hlášeny. Mäkinen a jeho spolupracovníci založili své na kvazičásticích zvaných magnony – kolektivní vlny v hodnotě kvantové vlastnosti známé jako spin. Vytvořili magnony v „superfluidním heliu-3“, heliu, kde jádra mají dva protony a pouze jeden neutron, takže rotace částic v jádře se nemohou vyrušit.
Ochladili helium 3 na kryogenní teploty, takže dynamika atomů způsobila, že se navzájem účinně přitahují, i když slabě, a reorganizují se na kvazičástice známé jako Cooperovy páry. Cooperovy páry jsou tyto kvazičástice omezeny pouze na jeden dostupný kvantový stav, který tak eliminuje viskozitu tekutiny.
Ukazuje se, že švihání supratekutého helia 3 sem a tam mechanickou povrchovou vlnou na něj má zajímavý účinek, který se scvrkává na vliv povrchu na spin a orbitální moment hybnosti Cooperových párů, což jsou vlastnosti používané k charakterizaci supratekutiny. Chcete-li si to představit, představte si vliv stěny na možné dráhy koule roztočené na konci provázku: ve volném prostoru mohou orbitaly koule zaujmout libovolnou orientaci ve třech rozměrech, ale přiblíží se ke stěně a některé z těchto orbitalů již nejsou možné.
Mäkinen a jeho spolupracovníci poznali, že to ovlivní období magnonového časového krystalu. Při svých experimentech zjistili, že časový krystal může interakci přežít až několik minut. To naznačuje, že by mohlo být možné spojit data z kvantových počítačů s časovým krystalem prostřednictvím podobné interakce pro ukládání.
V kvantových počítačích každý qubit může být v superpozici dvou binárních stavů najednou, což je základem pro teoreticky vyšší výpočetní výkon. Paměť v kvantových počítačích proto musí uchovávat data, která zachovají tuto neurčitou kvalitu stavu qubit.
Paměťové technologie v dnešních kvantových počítačích běžně používají orientaci rotace k ukládání dat, ale tyto stavy rotace jsou snadno narušeny poruchami prostředí, jako je tepelný šum. Tyto poruchy je posunou do jednoho nebo druhého možného stavu, což znamená, že kvantová povaha ukládaných dat je ztracena. Spinningová kvantová paměť jako taková trvá jen několik milisekund.
Naproti tomu magnony, které Mäkinen a jeho spolupracovníci vytvořili, vydržely i s narušením mechanické povrchové vlny minuty. Protože povrchová vlna zanechává otisk na frekvenci magnonového časového krystalu, lze ji použít k „zapsání“ kvantových dat, která mají být uložena. S delší kvantovou pamětí může být na datech implementováno více operací kvantového zpracování, než se zhorší, což umožňuje složitější úkoly.
Učebnicové analogie
Poté, co se tým podíval na experimentální data, našel také několik podobností s optomechanikou, kde světelné a mechanické rezonátory interagují. Příkladem je sotva postřehnutelný dopad fotonu, který narazí na zrcadlo připevněné k pružině, kde pružina získává nebo ztrácí energii, když se foton odráží od zrcadla.
Kreslení paralel mezi časovými krystaly a optomechanikou by mohlo odhalit teorii z dobře zavedené oblasti optomechaniky, kterou lze aplikovat na časové krystaly vystavené mechanické vlně, což poskytuje náskok v pochopení těchto interakcí.
„Optomechanika je tak obecným tématem v mnoha oblastech fyziky, takže ji můžete použít v obrovské řadě různých systémů,“ řekl Mäkinen.
Nikolaj Želudev, Profesor fyziky a astronomie na University of Southampton, který také studuje časové krystaly a optomechaniku, ale nebyl zapojen do studie, popsal studii jako „zajímavou.“, „Otevírá směr výzkumu ve fyzice nerovnovážných systémů s potenciálními důsledky pro pokrok v kvantovém snímání a kvantovém řízení,“ řekl Live Science v e-mailu.
Mäkinen řekl, že by rád prozkoumal různé typy nastavení, která by se mechanicky spojila s časovým krystalem, jako je například nanofabrikovaný elektromechanický rezonátor, který by měl mnohem nižší hmotnost než supratekutá povrchová vlna. „Samozřejmá myšlenka je skutečně jít směrem ke kvantovému limitu a zjistit, jak daleko ho můžeme posunout,“ řekl.
