2つの時間結晶が初めて正常にリンクされました

物理学者は、空想科学小説のようなもののように聞こえる量子デバイスに向けて驚くべき一歩を踏み出しました。

初めて、時間結晶として知られる奇妙な物質の状態のように振る舞う粒子の孤立したグループが、量子コンピューティングで信じられないほど役立つ可能性のある単一の進化するシステムにリンクされました。

2年前の論文で詳述された2つの時間結晶間の相互作用の最初の観察に続いて、これは量子情報処理などの実用的な目的のために時間結晶を潜在的に利用するための次のステップです。

数年前の2016年に正式に発見され確認されたばかりのタイムクリスタルは、かつては物理的に不可能であると考えられていました。 それらは通常の結晶と非常によく似た物質の相ですが、もう1つ、独特で非常に特殊な特性があります。

通常の結晶では、原子は、ダイヤモンドや水晶の原子格子のように、固定された3次元のグリッド構造で配置されます。 これらの繰り返し格子は構成が異なる場合がありますが、それらが示す動きはすべて外部からの押し込みによるものです。

時間結晶では、原子の振る舞いが少し異なります。 それらは、外部の押しや突き出しでは簡単に説明できない時間の動きのパターンを示します。 これらの振動(「ティック」と呼ばれる)は、通常の特定の周波数にロックされます。

理論的には、時間結晶は、基底状態として知られる可能な限り低いエネルギー状態でカチカチ音をたてます。したがって、長期間にわたって安定しており、コヒーレントです。 したがって、規則的な結晶の構造が空間で繰り返される場合、時間結晶では、それは空間と時間で繰り返され、したがって、永続的な基底状態の動きを示します。

「永久機関が不可能であることは誰もが知っています」と、英国のランカスター大学の物理学者で筆頭著者のSamuliAuttiは言います。

「しかし、量子物理学では、目を閉じていれば永久運動は問題ありません。この亀裂をこっそりと抜けることで、時間結晶を作ることができます。」

チームが取り組んできた時間結晶は、マグノンと呼ばれる準粒子で構成されています。 マグノンは真の粒子ではありませんが、スピンの格子を通って伝播する波のように、電子のスピンの集団励起で構成されています。

マグノンは、ヘリウム3(陽子が2つあるが、中性子が1つしかないヘリウムの安定同位体)が絶対零度の1万分の1以内に冷却されると出現します。 これにより、いわゆるB相超流動、つまり低圧のゼロ粘度流体が生成されます。

この媒体では、時間結晶は空間的に異なるボーズ・アインシュタイン凝縮として形成され、それぞれが1兆個のマグノン準粒子で構成されています。

ボース・アインシュタイン凝縮は、絶対零度をわずかに超えるまで冷却されたボソンから形成されます(ただし、絶対零度に到達しないと、原子は移動を停止します)。

これにより、それらは最低エネルギー状態に沈み、非常にゆっくりと移動し、重なり合うのに十分接近して、1つの「超原子」または物質波のように機能する高密度の原子雲を生成します。

2つの時間結晶が互いに接触することを許されたとき、それらはマグノンを交換しました。 この交換は、各時間結晶の振動に影響を与え、2つの個別の状態で機能するオプションを備えた単一のシステムを作成しました。

量子物理学では、複数の状態を持つ可能性のあるオブジェクトは、明確な測定によって特定される前に、それらの状態が混在して存在します。 したがって、タイムクリスタルを2状態システムで動作させることにより、量子ベースのテクノロジーの基盤として豊富な新しいピッキングが提供されます。

タイムクリスタルは、最初に解決する必要のあるハードルがかなりあるため、キュービットとして展開するのに適した方法です。 しかし、断片は所定の位置に落ち始めています。

今年の初めに、別の物理学者チームが、周囲の環境から隔離する必要のない室温時間結晶の作成に成功したと発表しました。

冷却された超流動を必要とせずに相互作用する時間結晶を観察するように、時間結晶間のより洗練された相互作用とその微調整をさらに開発する必要があります。 しかし、科学者たちは楽観的です。

「そもそも時間結晶が存在していなくても、2つを組み合わせると美しく機能することがわかります」とAutti氏は言います。 「そして、それらが室温でも存在することを私たちはすでに知っています。」

研究はで公開されています ネイチャーコミュニケーションズ

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